FPGA成為替代ASIC的最佳選擇

FPGA成為替代ASIC的最佳選擇

多年來，Xilinx公司的可編程邏輯技術(shù)始終扮演著ASIC替代解決方案的角色。過去十多年來，每次當ASIC技術(shù)實現(xiàn)摩爾定律的預期，Xilinx FPGA和CPLD都迅速填補了由此而留下的間隙。最近，有些ASIC制造商推出了稱為結(jié)構(gòu)化ASIC（Structured ASIC）的改進ASIC結(jié)構(gòu)，試圖解決與基于標準單元的ASIC和門陣列相關(guān)的一些問題。但最終，人們都會問到這一決定性問題，"如果我們需要100萬門至500萬門的設計，到底哪種技術(shù)最佳地結(jié)合了硬件、軟件和設計支持，從而可最好地滿足我們的需要？"
　　歷史上，高速度100萬門以上的單片系統(tǒng)（SoC）一直是ASIC的獨占領(lǐng)域。但現(xiàn)在，促進高端ASIC發(fā)展的工藝技術(shù)也同樣適用于FPGA。事實上，F(xiàn)PGA的發(fā)展也幫助推動了最新工藝技術(shù)的發(fā)展。例如，Xilinx的Spartan-3器件很早就采用了90nm、300mm工藝的設計定案（tape-out）并很快推出了采用相應工藝制造的器件。現(xiàn)在，就門和I/O的數(shù)量來說，平臺FPGA可輕松滿足要求。Spartan-3 FPGA可提供高達500萬系統(tǒng)門和784個I/O。Virtex-II Pro系列可提供更高的密度和更大的封裝尺寸。平臺FPGA的力量遠遠不止是邏輯門和I/O數(shù)量。例如，Spartan-3系列可提供近2M位塊RAM和104個硬連線18 x 18乘法器，而Virtex-II Pro則可提供高達10M位塊RAM資源和556個乘法器，而這些對于DSP系統(tǒng)實現(xiàn)非常關(guān)鍵。
　　自從開始將幾片TTL器件的邏輯集成到單片F(xiàn)PGA中以來，靈活性始終是可編程邏輯器件的特點。平臺FPGA將這一靈活性提高了幾個量級?，F(xiàn)在，大量系統(tǒng)部件IP可以嵌入到單片平臺FPGA器件中。Xilinx平臺FPGA集成了塊存儲器、軟和硬處理器芯核、DSP功能和可編程I/O連接功能，以及由Xilinx公司和第三方供應商開發(fā)的其它IP。當然，每個設計小組還為完全可編程的器件增添了他們自己的差異化IP。完全的可編程能力為半導體芯片提供了最大的靈活性和最有效的使用。
　　而仔細考察標準單元結(jié)構(gòu)ASIC即可發(fā)現(xiàn)其靈活性非常有限。僅有數(shù)層金屬層是可定制的，其它金屬層以及所有的邏輯都由ASIC制造商固定。每家制造商提供具有少量不同的芯片，所嵌入的IP核心的類型和數(shù)量有所不同。每種類型的結(jié)構(gòu)ASIC通過固定的專用資源來滿足特定應用的要求。不幸的是，對于客戶來說，如果設計不能十分匹配制造商提供的某種芯片的特性，那么有些芯片資源就會被浪費，結(jié)果是要么設計受到損害，要么就不得不從頭來。在任何情況下，提供給設計小組的靈活性非常小。
　　結(jié)構(gòu)化ASIC的不靈活還會帶來訂貨和庫存風險。即使一個結(jié)構(gòu)化ASIC設計進行得非常完美，目標市場也會變化，或者標準會更新。在這種情況下，庫存和NRE成本就被浪費了。另一方面，PFGA可容易地進行重新編程來適應新的要求，或者FPGA庫存可以重新應用于另一個項目。
　　在競爭分析中，F(xiàn)PGA開發(fā)工具經(jīng)常被不公平地忽略了。但事實是，F(xiàn)PGA供應商擁有在規(guī)模和經(jīng)驗方面都足以與最大型EDA供應商相匹敵的軟件開發(fā)隊伍。他們設計和提供了健壯和全面的工具套件，其成本僅與技術(shù)支持的價格相當。
　　FPGA供應商工具套件的健壯性從每年新開始的采用FPGA的設計數(shù)量上可以得到證明。2002年，新開始的采用FPGA的設計為20萬件，這一數(shù)字到2004年將增長為40萬。據(jù)估計，這一數(shù)字將是同一年新開始的ASIC設計數(shù)量的100倍。
　　另一方面，結(jié)構(gòu)化ASIC設計流程仍然處于早期開發(fā)階段。能夠顯示結(jié)構(gòu)化ASIC設計流程或工藝完整性或健壯性的成功例子很少。到目前為止，頂級ASIC供應商為結(jié)構(gòu)化ASIC提供的支持仍然非常有限或根本沒有。因此，選擇非常少，設計小組被迫采用ASIC供應商選定的設計流程進行設計，而不能利用熟悉的經(jīng)過內(nèi)部使用驗證的設計方法。走在最前面的設計小組經(jīng)常會面對軟件缺陷的所謂第一版效應，點狀工具的不兼容性等，并且不得不依賴外部供應商才能解決此類問題。
　　經(jīng)過多年的發(fā)展，F(xiàn)PGA供應商已經(jīng)從技術(shù)跟隨者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)槁氏炔捎妙I(lǐng)先器件技術(shù)的創(chuàng)新者。這使得他們可大大縮小ASIC和FPGA之間的每邏輯門成本差距。例如，Xilinx公司在Spartan-3系列中很早采用了90nm、300mm工藝設計，使得100萬門器件的價格達到20美元以下。考慮到與結(jié)構(gòu)化ASIC和標準單元ASIC相關(guān)的額外NRE成本和掩膜費用，F(xiàn)PGA價格甚至更有吸引力。還需要考慮到開發(fā)工具和培訓的絕對成本。
　　對于一家企業(yè)來說，由于工程開發(fā)延遲而失去市場機會可能是最昂貴的成本。在快速變化的市場中，設計返工造成的三個月時間延遲決定了成功還是失敗。因此，ASIC設計小組必須在盡快交付設計定案和小心地避免嚴重的錯誤之間進行微妙的平衡。為避免此類風險，設計小組被迫將大量精力用于設計驗證。FPGA沒有這些風險，因為它們是可重新編程的，并且可以利用ChipScope進行實時調(diào)試。因此，F(xiàn)PGA設計時間大大縮短了。