FPGA 要取代 ASIC 了，這是 FPGA 廠商喊了十多年的口號(hào)。可是，F(xiàn)PGA 地盤占了不少，ASIC 也依舊玩得愉快。這兩位仁兄到底有啥不一樣呢？

一、介紹

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是在 PAL、GAL、CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC) 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。它是當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件平臺(tái)，其主要特點(diǎn)就是完全由用戶通過軟件進(jìn)行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復(fù)擦寫。在修改和升級(jí)時(shí)，不需額外地改變 PCB 電路板，只是在計(jì)算機(jī)上修改和更新程序，使硬件設(shè)計(jì)工作成為軟件開發(fā)工作，縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的周期，提高了實(shí)現(xiàn)的靈活性并降低了成本。

ASIC（Application Specific Integrated Circuit），即專用集成電路，是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路。是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC 的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求， ASIC 分為全定制和半定制。亮點(diǎn)在于專用，量身定制所以執(zhí)行速度較快。一句話總結(jié)就是，市場(chǎng)上買不到的芯片。水果的 A 系列處理器就是典型的 ASIC。

二、FPGA 是可復(fù)用的

FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB、輸出輸入模塊 IOB 和內(nèi)部連線三個(gè)部分。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是可編程器件。FPGA 利用小型查找表（16×1RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè) D 觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng) I/O，由此構(gòu)成了即可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到 I/O 模塊。FPGA 的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與 I/O 間的聯(lián)接方式，并最終決定了 FPGA 所能實(shí)現(xiàn)的功能。

FPGA 的特點(diǎn)：

加電時(shí)，F(xiàn)PGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后，F(xiàn)PGA 進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA 能夠反復(fù)使用。理論上，F(xiàn)PGA 允許無限次的編程。

FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、PROM 編程器即可。

FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I／O 引腳。

快速成品，可以被修改來改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。

用戶不需要介入芯片的布局布線和工藝問題，而且可以隨時(shí)改變其邏輯功能，使用靈活。

（FPGA 基本架構(gòu)）

三、ASIC 是為 VIP 服務(wù)的

ASIC 是定制的，具體分為全定制和半定制。

全定制設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)最小面積，最佳布線布局、最優(yōu)功耗速度，得到最好的電特性。特點(diǎn)：精工細(xì)作，設(shè)計(jì)要求高、周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本昂貴。

半定制設(shè)計(jì)方法又分成基于標(biāo)準(zhǔn)單元的設(shè)計(jì)方法 CBIC 和基于門陣列的設(shè)計(jì)方法。半定制主要適合于開發(fā)周期短，低開發(fā)成本、投資、風(fēng)險(xiǎn)小的小批量數(shù)字電路設(shè)計(jì)。

ASIC 的特點(diǎn)是：

面向特定用戶的需求，ASIC 在批量生產(chǎn)時(shí)與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。

ASIC 需要較長(zhǎng)的開發(fā)周期，風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦有問題，成片全部作廢，所以小公司已經(jīng)玩不起了。

（ASIC 基本架構(gòu)）

四、兩者的設(shè)計(jì)流程

完整的 FPGA 設(shè)計(jì)流程包括功能描述、電路設(shè)計(jì)與輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實(shí)現(xiàn)與布局布線、時(shí)序仿真、板級(jí)仿真與驗(yàn)證、調(diào)試與加載配置。

ASIC 的設(shè)計(jì)流程（數(shù)字芯片）包括：功能描述、模塊劃分、模塊編碼輸入、模塊級(jí)仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)仿真驗(yàn)證、綜合、STA（靜態(tài)時(shí)序分析）、形式驗(yàn)證。

（FPGA 和 ASIC 設(shè)計(jì)流程）

插一句，在 ASIC 設(shè)計(jì)過程中，往往要用到 FPGA 進(jìn)行原型驗(yàn)證。FPGA 驗(yàn)證是進(jìn)行 ASIC 設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其后，還需要引入 ASIC 版本源碼，插入 IO PAD，DFT，功耗估計(jì)和進(jìn)行其它后端流程。完成 FPGA 驗(yàn)證可以說就完成了 ASIC 整套流程的 50～80%。

從設(shè)計(jì)成本來考慮，小批量上 FPGA 占優(yōu)，大批量時(shí)，ASIC 占優(yōu)。

FPGA 本身就是一個(gè)芯片，只是你可以通過編程的方式修改內(nèi)部邏輯連接和配置實(shí)現(xiàn)自己想要的功能。實(shí)現(xiàn) ASIC，就如從一張白紙開始，你得有代碼，之后綜合，之后布局，布線，得到 GDSII 后去流片。

五、比速度

相同的工藝和設(shè)計(jì)，在 FPGA 上的速度應(yīng)該比 ASIC 跑得慢。因?yàn)?FPGA 內(nèi)部是基于通用的結(jié)構(gòu)，也就是 LUT（look up table），它可以實(shí)現(xiàn)加法器，組合邏輯等等，而 ASIC，一般加法器就是加法器，而比較器就是比較器，F(xiàn)PGA 結(jié)構(gòu)上的通用性必然導(dǎo)致冗余；另外，作為 FPGA 基本單元是 LUT（LUT 組成 SLICE，SLICE 組成 CLB－－這是 xilinx 的結(jié)構(gòu)），為此大的設(shè)計(jì)假如一個(gè) LUT 實(shí)現(xiàn)不了，就得用兩個(gè) LUT，一個(gè) SLICE 實(shí)現(xiàn)不了就要用 CLB，不同結(jié)構(gòu)處于特定的位置，信號(hào)之間的互聯(lián)，導(dǎo)致的 wire delay 是不可忽略的一部分。而對(duì)于 ASIC 來說沒有結(jié)構(gòu)上的限制，而且對(duì)于特定的實(shí)際可以在空間上靠得很近，相對(duì)之下 wire delay 和 cell delay 都應(yīng)該比 FPGA 小。當(dāng)然 LUT 中也有 DFF，作為高速的設(shè)計(jì)一般都會(huì)在一個(gè)簡(jiǎn)單的組合邏輯操作之后打一拍，再做下一步的處理。

六、比個(gè)頭

完全相同的結(jié)構(gòu)的話,FPGA 被 ASIC 遠(yuǎn)遠(yuǎn)踢飛。FPGA 要規(guī)模大得多才能實(shí)現(xiàn) ASIC 相同的功能,主頻還只有幾分之一。因此，F(xiàn)PGA 相對(duì)于 ASIC 來說還是大很多的。

七、功耗方面

在相同工藝條件下，F(xiàn)PGA 要大于 ASIC。FPGA，尤其是基于占用大量硅面積的、每個(gè)單元六個(gè)晶體管的靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）的查尋表（LUT）和配置元件技術(shù)的 FPGA，其功耗要比對(duì)等的 ASIC 大得多。

八、比花的銀子

FPGA 貴在單片，開發(fā)工具和風(fēng)險(xiǎn)基本不存在。對(duì)于 ASIC 貴在流片的費(fèi)用和開發(fā)工具，NRE 費(fèi)用隨著工藝的提高變相當(dāng)貴，除非你的芯片一次成功可以量產(chǎn)，否則單片費(fèi)用將其貴無比！

九、其他方面

ASIC 用于大型項(xiàng)目,而對(duì)于需要快速投放市場(chǎng)且支持遠(yuǎn)程升級(jí)的小型項(xiàng)目，F(xiàn)PGA 則更為適合。FPGA 技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)仍是產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間較短。

在 ASIC 的優(yōu)勢(shì)方面，ASIC 加電后可立即運(yùn)行，就單位邏輯大小而言封裝選擇更多，還可包括某些模擬邏輯。與此相對(duì)比,FPGA 加載配置進(jìn)入存儲(chǔ)器需要時(shí)間,因此不能立即工作。此外，F(xiàn)PGA 的封裝也較復(fù)雜。

除此之外，F(xiàn)PGA 內(nèi)部還包括接口 I/O，I/O 分為普通 I/O 和高速 I/O，高速 I/O 支持例如高速的 SERDES，用于實(shí)現(xiàn) XAUI，PCIE 等高速接口，這些接口動(dòng)輒幾 Gbps 到 10Gbps 以上。此外種類多種多樣的硬核 IP 也是各 FPGA 廠商差異化競(jìng)爭(zhēng)利器，例如 POWERPC、ARM 等硬核 IP。從而構(gòu)成 CPU+FPGA 于一體的集可編程性和可重構(gòu)的處理平臺(tái)。因此，相對(duì)來說，F(xiàn)PGA 雖然發(fā)展有二三十年的歷史，其基本架構(gòu)一直不變不大。

十、兩者的定位

FPGA 和 ASIC 產(chǎn)品的使用要根據(jù)產(chǎn)品的定位和設(shè)計(jì)需要來選用，ASIC 產(chǎn)品適用于設(shè)計(jì)規(guī)模特別大，如 CPU、DSP 或多層交換芯片等，或者是應(yīng)用于技術(shù)非常成熟且利潤(rùn)率非常低的產(chǎn)品，如家用電器和其它消費(fèi)類電器，亦或是大量應(yīng)用的通用器件如 RAM、PHY 等。而 FPGA 產(chǎn)品適用于設(shè)計(jì)規(guī)模適中，產(chǎn)品要求快速占領(lǐng)市場(chǎng)，或產(chǎn)品需要靈活變動(dòng)的特性設(shè)計(jì)等方面的產(chǎn)品，如 PDH、2.5G 以下 SDH 設(shè)備和大部分的接口轉(zhuǎn)換芯片等。當(dāng)然具體使用那種產(chǎn)品來設(shè)計(jì)還要設(shè)計(jì)者充分考慮自己的產(chǎn)品定位來決定。

十一、兩者在互相融合

最明顯的莫過于處理器中開始集成 FPGA，而可編程的 ASIC 也開始興起。隨著 SoC 成為主流，兩者的邊界也就不辣么明顯了。

十二、最后奉上網(wǎng)友對(duì) FPGA 比 ASIC 快的解釋

FPGA 的 LUT 等資源已經(jīng)固定了，你用不用都在那里，不多不少。

ASIC 理論上每一個(gè)你用到的 CELL 或者 IP 等資源你都可以手動(dòng)的擺放來進(jìn)行優(yōu)化。

FPGA 的資源固定有兩個(gè)劣勢(shì)：

劣勢(shì)一：能夠利用的資源是固定的，且不成大片，橫跨區(qū)域的產(chǎn)生邏輯，會(huì)退化時(shí)序。其實(shí)也就是你沒有辦法把邏輯盡可能的擺得近。邏輯擺得近可以減小線上的延遲，可以提高速度。ASIC 的 cell 你可以全部的擠在一起（不違反 DRC 的前提下）。

劣勢(shì)二：你的大小是固定的。你用 1 個(gè)門還是用 10W 個(gè)門，都是這一片已經(jīng)固定好了的 LUT 給你用。如果你的邏輯很小很小，F(xiàn)PGA 很大，你信號(hào)從 IO 進(jìn)來到邏輯，有可能會(huì)走比較長(zhǎng)的距離，這個(gè)也要花時(shí)間的。極端的例子，你從上部的 IO 進(jìn)來，你的邏輯在下部，這走線的長(zhǎng)度感人啊。（正常的設(shè)計(jì)不會(huì)這么做的）

除此之外，F(xiàn)PGA 的走線，你幾乎是動(dòng)不了的。

ASIC 中你可以直接加寬金屬線，比如兩倍寬度走時(shí)鐘線，復(fù)位線啦，之類的。金屬線寬度變大，線上的延遲變小，對(duì)速度也是有幫助的。

還有 asic 的庫一般還包含高性能 cell，低功耗 cell 等。在關(guān)鍵路徑，為了提高時(shí)序，你全用高性能的 cell（功耗大）。一般的路徑，時(shí)序比較松，多用低功耗的 cell（性能低）。你 FPGA 一旦選定了，你就只有他給你的東西，你沒有選的。

ASIC 還可以使用 useful skew 的方式來提高速度，手段會(huì)比 FPGA 中的多。

總的來說，就如同 GPU 和 CPU 一樣。GPU 可以非常快的處理圖像，但是讓 GPU 去處理其他的東西，GPU 表示攤手。CPU 很多的運(yùn)算都能處理，也能去處理圖像，只是慢而已。一旦你是沖著某個(gè)目的去的（ASIC）你為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，你各種沒節(jié)操?zèng)]下線都可以。如果你想要多方面兼顧(FPGA)，你就不可能在每一個(gè)方面都做到最好，你必須 trade-off。

審核編輯 黃昊宇