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FPGA vs ASIC

FPGA設計論壇 ? 來源:未知 ? 2022-11-28 10:30 ? 次閱讀
FPGA vs ASIC
相同點
都設計使用硬件描述語言(HDL),如VHDL或Verilog。但ASIC相比于FPGA開發上,代碼風格更為隨意,因為FPGA是先有電路,后有代碼,ASIC是先有代碼后面有專門的人員進行布局布線,而且是專用的布局布線軟件工具。

不同點
編程性:FPGA可重構電路,完全由用戶通過軟件進行配置和編程,從而完成某種特定的功能,且可以反復擦寫;ASIC永久電路,ASIC需要較長的開發周期,風險較大,一旦有問題,成片全部作廢。

功耗:在相同工藝條件下,FPGA要大于ASIC。FPGA,尤其是基于占用大量硅面積的、每個單元六個晶體管的靜態存儲器(SRAM)的查找表(LUT)和配置元件技術的FPGA,其功耗要比對等的ASIC大得多。ASIC的功耗可以非常精確地控制和優化(低功耗設計)。

速度:FPGA內部是基于通用的結構,根據RTL設計選擇內部布局布線,FPGA結構上的通用性必然導致冗余。ASIC是根據設計需求,最優化cell邏輯資源,沒有結構上的限制,并且做到最優布局走線,降低走線延遲和CELL延時。相同的工藝和設計,在FPGA上的速度應該比ASIC跑得慢。

頻率:ASIC主頻時鐘是遠高于FPGA系統主頻時鐘,一個很重要的原因也是有專門布局布線,另一個原因是ASIC使用組合邏輯相對較多。

模擬:FPGA不可能進行模擬設計,ASIC在專用于模擬收發器的射頻RF)核心上,可以不包含許多專用的模擬收發器。

應用:FPGA 的可配置性更適合科研、軍工等應用,而 ASIC 的高性能和低成本則適合消費電子領域(包括移動終端)

原型設計:FPGA優先用于原型設計和驗證設計或概念。ASIC除非經過絕對驗證,否則不建議使用ASIC對設計進行原型設計。一旦硅被貼上膠帶,幾乎什么也無法修復設計缺陷。FPGA驗證是進行ASIC設計的重要環節,完成FPGA驗證可以說就完成了ASIC整套流程的50~80%。

設計流程:FPGA設計人員一般不需要關心后端設計,ASIC設計人員需要關心從RTL到重置樹、時鐘樹、物理布局和布線、工藝節點、制造約束(DFM)、測試約束(DFT)等所有事情,通常每一個領域都由不同的專業人員處理。

成本:ASIC開發成本高于FPGA,隨著使用數量增加,FPGA成本上升幅度高于ASIC,下圖是Xilinx公司制作的成本比較:

面積:定制化的電路設計和工藝使用ASIC面積小于FPGA。

FPGA和ASIC區別很多。ASIC的邏輯通常遠遠大于FPGA的,門數上有數量級的差別,運行時鐘也遠遠高于FPGA。而且,ASIC只有一次機會,FPGA因為可以編程,所以coding的靈活性相對提高。僅僅從RTL設計上來說:

(1)ASIC更趨于保守,對邏輯的任何改動都要三思,并且要做備選的選擇,以防改錯。RTL的任何修改幾乎都是增量修改,即便以前的邏輯錯了,也不會刪掉,而是多做一個分支。
(2)ASIC對coding style的要求更高。所有模塊的coding風格要求一致,這樣有利于后端以及后續的check。
(3)ASIC設計對時鐘和復位更加重視。尤其是時鐘,對ASIC的設計極其關鍵,復位對BIST測試又很關鍵。ASIC在這方面都需要采用庫來進行設計。ASIC通常不會用counter分頻,這樣會導致時鐘不干凈,除非是很低頻的時鐘。ASIC對于跨時鐘域的信號處理也謹慎很多。對于clock的關閉和打開也需要嚴格檢查。
(4)ASIC要考慮SCAN測試和BIST的問題,所以設計的時候還需要為SRAM做BIST插入,需要為SCAN預留接口,雖然大部分都是工具干的,但是經常RTL作者也要手動做一些頂層工作,比如SCAN時鐘的來源等邏輯。
(5)FPGA多用現成IP,需要考慮資源的均衡,不能把某一資源撐爆了,而且FPGA存在資源浪費問題。ASIC很少考慮這種問題,ASIC考慮的永遠是性能和功耗,在邏輯選擇上除了SRAM,CLK和復位相關,都是手寫的,邏輯基本沒有浪費,也更加緊湊。
(6)ASIC時序預見性更好,可調整度高,所以可以寫很大的邏輯。

FPGA 和ASIC開發流程的區別:

第一步,首先是要實現功能,方式一般采用HDL描述,如verilog,VHDL。當然對于小規模電路也可以采用電路圖輸入的方式。

第二步,得保證電路功能的正確性,也叫驗證,可以通過軟件仿真,硬件仿真等方式實現。軟件仿真一般比較直觀,方便調試,因為每一時刻的狀態都可以看到,這好比調試軟件程序。硬件仿真一般就是指FPGA驗證,就是把電路用FPGA實現,然后去跑,這個的好處就是速度很快,譬如一個視頻解碼核,解一幀圖像出來,軟件仿真就算用最好的服務器,也得跑上多少秒,但是在FPGA中實現的話,基本就是多少毫秒了。這對于一個需要大規模驗證的電路來說,是必不可少的。
前面兩步對于數字IP來說,ASIC和FPGA基本一致,除非一些實現技巧的差別。
第三步,在你描述的電路正確性得到確保之后,你就要實現它,就是要把你寫的那些代碼變成實實在在的電路,如寄存器還是與非門,這個過程就叫綜合。由于電路規模日益復雜,一般最基本的電路就被做成了cell,如寄存器,與非門,就不會再細化到用三極管怎么去搭的問題了。這一步對于FPGA和ASIC來說就是最小的那個單元不一樣。FPGA是做好的電路,一般顧及通用性和效能,基本電路單元就做得比較大,如LUT,就是由寄存器和與非門構成,你可能只用了其中一個與門,但是還會占用這么一個單元。對于ASIC來說,兩輸入的與非門,就是一個簡單的門電路,甚至為了區分驅動能力和時序特性差異,還分了好幾個等級,有的面積小,有的驅動能力強??偟膩碚f這一步就是工具把你的描述變成基于庫的電路描述。
第四步,你得到基于庫的電路描述之后,就要考慮這些單元怎么擺放的問題,這叫布局布線。FPGA的話連線資源有限,所以需要不斷地調整,在保證時序要求的情況下,把你的電路映射到其固定的資源分布圖中間。ASIC的話一般是根據周邊電路需求,時序要求,把你的電路放到芯片的某個位置。在擺好之后還得考慮連線是否能通,各級延時是否能滿足電路的建立和保持時間要求等等。
第五步,輸出。FPGA就是輸出一個配置文件,告訴 FPGA芯片該怎么樣去配置其電路,使其實現預期功能。該文件可以在FPGA上電之后再由PC下載進去,也可以保存在Flash里,電路上電之后自動配置。ASIC就是輸出一個版圖文件,告訴代工廠該怎么去腐蝕硅片,該怎么連金屬等等。
當然在這過程中間會有各種各樣的輔助步驟??偟膩碚f都是為了確保你設計的電路正確及正確實現你的電路。







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