在數(shù)字系統(tǒng)中ASIC和FPGA本身就有太多相似的地方,如我們看到的,在圖像處理領(lǐng)域,ASIC和FPGA可以完成同樣的圖像處理任務(wù);在通信領(lǐng)域,ASIC和FPGA可以完成相同的信道編碼、高速通信接口等任務(wù),這樣的例子舉不勝數(shù)。ASIC設(shè)計(jì)和FPGA設(shè)計(jì)中也存在著很多的相似的地方。它們二者在功能實(shí)現(xiàn)中都采用HDL描述。乍一看,二者似乎完全相同,但二者之間又互有優(yōu)缺點(diǎn)。
首先說說什么是ASIC?
ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit,專用集成電路)是一種應(yīng)對(duì)特定用戶和特定電子系統(tǒng)而專門設(shè)計(jì)的集成電路。因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,當(dāng)大家聽到ASIC時(shí),會(huì)默認(rèn)為其為數(shù)字IC。其實(shí)不論它是模擬或數(shù)字的,或兩者的混合,任何具有特定功能和特定用途的芯片都是一個(gè)ASIC。例如,ISP主要針對(duì)圖像處理,完成圖像噪聲去除、壞點(diǎn)去除、白平衡、自動(dòng)曝光控制等功能。由于其定制式的設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)電路的功能和性能的要求對(duì)電路中的基本原件,如與門,或門,開關(guān)電路,觸發(fā)器等按照特定的方式排列,實(shí)現(xiàn)最小面積,最優(yōu)功耗等設(shè)計(jì)優(yōu)化,因此ASIC具有體積小、功耗低、可靠性提高、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。有優(yōu)點(diǎn)當(dāng)然也有缺點(diǎn),定制化的設(shè)計(jì)會(huì)使得一旦制造完成電路就固定,無法再更改。
ASIC芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
其次再看看什么是FPGA?
FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)本質(zhì)也是一種ASIC,是一種包括可以配置邏輯模塊、可配置連線資源的ASIC。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。由于其可配置和可編程的特點(diǎn),我們當(dāng)然可以進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的圖像噪聲去除、壞點(diǎn)去除、白平衡、自動(dòng)曝光控制等功能,從而采用FPGA完成同樣的圖像處理功能。其靈活性解決了定制電路的不足,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。可配置的帶來的影響當(dāng)然是功耗高、體積大、執(zhí)行速度和可靠性方面較差一些。
FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中可以看出FPGA芯片內(nèi)部更規(guī)整,基本單元有規(guī)律的平均分布在芯片內(nèi)部,而ASIC芯片里面基本找不到相同的地方。打個(gè)比方,ASIC芯片就好比普通住宅,每種戶型的戶內(nèi)格局與房間數(shù)不同,裝修風(fēng)格也完全不一樣;而FPGA芯片就好比一個(gè)個(gè)由廠房倉(cāng)庫(kù)改建的LOFT,面積、風(fēng)格全部一致。
“哎呀,有點(diǎn)扯遠(yuǎn)了,下面小興就帶著大家具體看看二者區(qū)別。”
ASIC和FPGA的基本單元不一樣。ASIC內(nèi)部各個(gè)功能模塊的基本實(shí)現(xiàn)單元是與、或、非、觸發(fā)器;FPGA基本單元為邏輯單元(由于每家的縮寫不一樣,所以統(tǒng)稱邏輯單元)。一個(gè)邏輯單元包含了各種可配置單元(通過配置實(shí)現(xiàn)與、或、非邏輯)和觸發(fā)器。ASIC芯片由于基本單元顆粒更小,單位面積利用率大大高于FPGA。
ASIC基本單元示意圖
FPGA基本單元示意圖
設(shè)計(jì)流程不一樣。ASIC設(shè)計(jì)流程需從數(shù)字前端、后端甚至模擬人員,開發(fā)周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大,而FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)工具搞定所有問題。但是同樣帶來的問題是FPGA需要更嚴(yán)格設(shè)計(jì)規(guī)則,速度、面積、功耗等都不如ASIC效率高。
FPGA與ASIC設(shè)計(jì)流程對(duì)比
設(shè)計(jì)成本不同。ASIC芯片需要高昂的留片和封測(cè)等一次性工程費(fèi)用,這就需要有一定的使用量來平攤這一成本;但從單個(gè)器件本身的角度講,具有可配置的靈活性的FPGA較ASIC成本要高。這表示在大批量生產(chǎn)時(shí)ASIC具有成本低的優(yōu)勢(shì),F(xiàn)PGA較適合應(yīng)用使用量低的小產(chǎn)量應(yīng)用場(chǎng)景。
可配置性。FPGA中的FP表示了Field Programmable,即現(xiàn)場(chǎng)可配置。這里小興又要提到上面的例子,舊倉(cāng)庫(kù)或舊廠房改建的LOFT在房屋結(jié)構(gòu)不變得條件下內(nèi)部功能可以做出翻天覆地的變化。而買了一套普通住房之后基本上只能做些敲敲打打。話說回來,F(xiàn)PGA能做到現(xiàn)場(chǎng)可配置,也就是說上一刻FPGA是個(gè)CPU,下一刻FPGA就變成了一個(gè)ISP。對(duì)比FPGA,ASIC的可配置性為0,所以才需要更多的人員、更多的工具去保證設(shè)計(jì)無誤。
應(yīng)用場(chǎng)合。ASIC芯片一旦流片功能就無法改變,基本專片專用。而FPGA可配置特性就可以應(yīng)用在功能會(huì)改變的場(chǎng)合,例如,原型驗(yàn)證,ASIC設(shè)計(jì)過程中會(huì)使用到FPGA來進(jìn)行原型驗(yàn)證;功能升級(jí),在產(chǎn)品中采用FPGA實(shí)現(xiàn)一些業(yè)內(nèi)暫時(shí)還沒成熟的解決方案,可以在后續(xù)功能變動(dòng)時(shí)方便升級(jí)。
根據(jù)上述對(duì)比,我可以看出,在大批量生產(chǎn)和使用時(shí),ASIC由于其體積小、功耗低、可靠性高、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)較為適合使用;在一些小眾應(yīng)用場(chǎng)景,在沒有對(duì)應(yīng)ASIC情況下,可使用FPGA替代ASIC;同時(shí)也因?yàn)镕PGA的開發(fā)速度快,對(duì)于新興產(chǎn)業(yè),在還沒有適用ASIC情況下,可以使用FPGA替代ASIC快速占領(lǐng)市場(chǎng)。當(dāng)然因?yàn)槎咧g的相似之處,在ASIC流片前,F(xiàn)PGA可以說是完成ASIC功能驗(yàn)證的不二之選。
話說沒有對(duì)比就沒有…..,哈哈哈,沒有互相傷害了,小興我就兩者的特點(diǎn)給大家列出來,以方便大家可以更清楚的了解ASIC和FPGA。
先簡(jiǎn)單介紹這么多了,隨著芯片制程工藝的不斷發(fā)展,以及應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化,ASIC和FPGA在產(chǎn)品應(yīng)用中也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。例如,iPhone7中就已經(jīng)集成了一顆FPGA芯片,在如此大出貨量的產(chǎn)品中使用FPGA實(shí)屬少見,究其原因如何網(wǎng)絡(luò)上說法不一。這些待小興我在后續(xù)的推送中再來分析。
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