Как выбрать между FPGA и ASIC?

ASIC и FPGA являются двумя из наиболее представительных технологий ядра чипов в области электронных компонентов, играя решающую роль в разработке аппаратного обеспечения и системных приложениях. Это руководство по сравнению FPGA и ASIC предоставляет углубленный анализ их ключевых различий по четырем основным параметрам: производительность, стоимость, энергопотребление и гибкость, подкрепленный практическими примерами применения. В конечном итоге, выбор между ASIC, FPGA или даже интегрированными архитектурами SoC зависит от конкретной позиционирования продукта и требований к применению.

В чем разница между FPGA и ASIC?

Что такое FPGA (Программируемая вентильная матрица)?

FPGA, или Программируемая вентильная матрица, — это универсальный программируемый чип с высокой гибкостью и возможностью итераций. Он состоит из трех основных типов программируемых цепей: программируемых логических блоков (CLB), блоков ввода-вывода и программируемых коммуникационных ресурсов, а также статической памяти (SRAM).

Его можно многократно стирать и перепрограммировать в полевых условиях. Без изменения печатной платы разработчики могут обновлять алгоритмы и корректировать функциональную логику онлайн в любое время.

Преимущества: FPGA имеют низкий порог входа на ранних стадиях разработки и короткий производственный цикл. Даже проекты малой партии легко реализуются, обеспечивая простоту использования и высокую экономическую эффективность. Они идеально подходят для создания прототипов продуктов, быстрой разработки проектов, нишевых индивидуальных сценариев или устройств, требующих долгосрочных онлайн-итераций и обновлений.

Недостатки: Из-за ограничений архитектуры FPGA имеют определенные недостатки в предельной вычислительной производительности, энергоэффективности и плотности интеграции чипов.

Что такое ASIC (Интегральная схема специального назначения)?

ASIC расшифровывается как Интегральная схема специального назначения. Это специализированный чип, разработанный и созданный специально для определенного продукта или функции, полностью выполненный по индивидуальному заказу.

Преимущества: Чип обладает чрезвычайно высокой плотностью интеграции, позволяя объединить несколько сложных функций на одном чиЧип обладает чрезвычайно высокой плотностью интеграции, позволяя объединить несколько сложных функций на одном чипе. Это обеспечивает меньший размер, более низкое энергопотребление, более высокую вычислительную производительность и более низкую стоимость за единицу при массовом производстве. Он широко используется в высококлассных, высокопроизводительных устройствах и зрелых продуктах больших объемов.

Недостатки: После производства его нельзя перепрограммировать или изменить. Требуются высокие первоначальные затраты на НИОКР и более длительные циклы разработки, поэтому он подходит только для сценариев крупномасштабного массового производства.

Как выбрать между FPGA и ASIC?

Разница в цене между FPGA и ASIC в основном обусловлена обратной зависимостью между первоначальными единовременными затратами на неповторяющееся проектирование (NRE) и стоимостью массового производства за единицу продукции. В целом затраты значительно различаются в зависимости от объема поставок, технологического процесса и сценария применения.

FPGA имеют более высокую закупочную цену за единицу, но не требуют дорогостоящих индивидуальных разработок или затрат на производство пластин, поэтому барьер первоначальных инвестиций очень низкий. ASIC, напротив, имеют низкую стоимость за единицу при массовом производстве, но требуют полного индивидуального проектирования, лицензирования IP, моделирования и проверки, а также изготовления масок и пластин, что приводит к очень высоким затратам NRE и высокому первоначальному барьеру.

Если проект требует частых изменений логики или итеративных обновлений, FPGA позволяет многократное перепрограммирование и обеспечивает высокую гибкость и контроль. Если продукт полностью определен и предназначен для долгосрочного массового производства, выбор ASIC максимизирует экономическую эффективность и обеспечивает наилучшее соотношение цены и производительности.

Характеристики FPGA и ASIC

1. Производительность: ASIC глубоко кастомизирован для конкретных функций, обеспечивая высокую вычислительную эффективность, низкую задержку и пиковую производительность. FPGA сохраняет программируемую избыточную архитектуру, поэтому при одинаковых условиях их вычислительная производительность и эффективность обработки ниже, чем у ASIC.

2. Стоимость: FPGA не требуют дорогостоящих затрат на изготовление индивидуальных пластин (NRE), поэтому первоначальные инвестиции низкие и подходят для проектов малой партии. Однако закупочная стоимость за единицу относительно высока, что приводит к более высоким общим затратам при больших объемах. ASIC требуют очень высоких первоначальных затрат на проектирование и изготовление пластин (NRE), но стоимость за единицу при массовом производстве чрезвычайно низкая, поэтому они подходят только для крупномасштабных поставок для амортизации затрат.

3. Энергопотребление: Из-за зарезервированных программируемых логических ресурсов FPGA имеют дополнительное статическое энергопотребление, что приводит к значительно более высокому использованию энергии при одинаковой производительности. Схемы ASIC оптимизированы без избыточности, высокоинтегрированы и имеют низкое энергопотребление по своей природе.

4. Гибкость: FPGA поддерживает многократное программирование в полевых условиях и онлайн-изменения аппаратной логики, позволяя итеративные обновления в любое время. Функциональность ASIC после изготовления фиксирована без возможности изменения, гибкость отсутствует.

FPGA (Программируемая вентильная матрица) — это полуиндивидуальная схема на основе технологии программируемой логики. FPGA имеет такие преимущества, как высокая гибкость и короткий цикл разработки, но ее аппаратная реализация не так стабильна, как у ASIC, а энергопотребление выше.

ASIC характеризуется тем, что требует производственного процесса для завершения проектирования схемы. Этот процесс индивидуальный и не может быть изменен после завершения проектирования. Поэтому ASIC имеет высокую эффективность и стабильную производительность.

Часто задаваемые вопросы — FPGA или ASIC, что выбрать?

В: Если проект требует предельной вычислительной производительности, сверхвысокой мощности обработки и быстрой обработки сигналов, что мне выбрать?

О: Для сценариев с высокими требованиями к производительности и вычислениям ASIC является первым выбором. ASIC могут быть глубоко оптимизированы для конкретных алгоритмов и функций, обеспечивая вычислительную эффективность и скорость обработки сигналов, значительно превосходящие FPGA. FPGA ограничены своей программируемой архитектурой; планирование логических ресурсов создает накладные расходы, а пиковая производительность и вычислительная плотность не могут достичь предельного уровня ASIC. Они подходят только для обычных тестов высокой производительности и среднего развертывания.

В: Если продукт является только прототипом или малой партией опытного производства, что выбрать: ASIC или FPGA?

О: Выберите FPGA. FPGA не требуют дорогостоящего индивидуального изготовления пластин, поэтому первоначальные затраты на НИОКР низкие без дополнительных расходов на маски, что делает их очень экономичными для малого производства.

В: Мой продукт требует чрезвычайно низкого энергопотребления для долгосрочной работы. ASIC или FPGA: что более подходит?

О: Отдайте предпочтение ASIC. ASIC полностью разработаны по индивидуальному заказу с оптимизированными, без избыточности схемами и высокой интеграцией, обеспечивая чрезвычайно низкое энергопотребление при массовом производстве. FPGA же сохраняют программируемые избыточные схемы, что приводит к внутренним статическим потерям энергии и значительно более высокому потреблению энергии по сравнению с ASIC при одинаковом уровне производительности.

В: Система требует частых итераций алгоритмов и обновлений функций. ASIC и FPGA: что подходит?

О: Вы обязательно должны выбрать FPGA. FPGA поддерживает перепрограммирование в полевых условиях и реальное изменение аппаратной логики. Функции и алгоритмы можно обновлять онлайн без изменения печатной платы. ASIC после изготовления фиксированы и не могут быть перезаписаны.

В: Я хочу и гибкой отладки, и интегрированного управления, сохраняя при этом некоторые возможности высокой производительности. Как мне выбрать?

О: Рассмотрите комбинацию с архитектурой SoC. Используйте FPGA + SoC для ранних прототипов и проверки алгоритмов, чтобы обеспечить быструю итеративную оптимизацию. После полного завершения проектирования и подтверждения крупномасштабного производства перейдите на архитектуру ASIC + индивидуальный SoC, чтобы сбалансировать эффективность развертывания, производительность, энергопотребление и стоимость массового производства.

Применение и проекты на основе FPGA

ПЛИС (FPGA) отличаются гибкостью, удобством разработки, возможностью итераций и мелкосерийным производством. В основном они используются в сценариях, требующих перепрограммируемой логики, частых обновлений, нишевой кастомизации или быстро обновляемых протоколов.

• Выполняют предварительную обработку изображений высокой четкости, ускоряют кодирование/декодирование видео и различные операции фильтрации высокочастотных цифровых сигналов.
• Поддерживают вычисления в реальном времени и персонализацию функций для радаров автономных транспортных средств, телеметрических и управляющих систем аэрокосмической техники, а также промышленных роботов.
• Используют возможность полевой перепрограммируемости для быстрой итерации аппаратной логики и отладки алгоритмических решений, значительно сокращая циклы разработки.
• Широко применяются в базовых станциях 5G, оптических модулях и коммуникационных устройствах, поддерживая обновление протоколов, пересылку сигналов и обработку шифрования данных.
• Обеспечивают разработку измерительных и тестовых приборов, удовлетворяя потребности в нишевой кастомизации и отладке нескольких версий.
• Применяются для ускорения пограничных вычислений на основе ИИ, позволяя гибко развертывать и модифицировать различные инференс-модели для поддержки интеллектуальных вычислений в различных сценариях.

Применение специализированных интегральных схем (ASIC)

Специализированные интегральные схемы (ASIC) ориентированы на фиксированные функции, массовое производство, максимальную производительность, низкую стоимость и низкое энергопотребление. В основном они используются для зрелых специализированных функций с окончательно утвержденными параметрами; за счет крупносерийного производства амортизируются расходы на НИОКР, обеспечивая низкое энергопотребление, компактные размеры и низкую стоимость одного чипа.

• Интегрируются в смартфоны и носимые устройства для выполнения специализированной обработки изображений и точного управления энергопотреблением всей системы.
• Используются в высококлассном сетевом коммуникационном оборудовании, обеспечивая сверхвыскоростную пересылку больших объемов данных в коммутаторах.
• Применяются в терминалах радаров и инфракрасных сенсоров для сбора низкоуровневых данных в фиксированном режиме и специализированных вычислений.
• Развертываются в медицинских устройствах, таких как электрокардиографы и портативные диагностические приборы, для стабильного анализа физиологических сигналов и передачи данных.
• Используются в сценариях высокоплотных параллельных вычислений для фиксированных алгоритмов, например, в шифровальных вычислениях или специализированных майнинговых чипах.

Сравнение FPGA, ASIC и SoC

SoC (система на кристалле) — это интеграция нескольких компонентов компьютера или электронной системы на одном чипе. К таким компонентам относятся процессор (CPU), память, интерфейсы ввода/вывода, периферийные функции и многие другие элементы. SoC построен на основе процессора, расширяет функциональность за счет программной разработки, сочетает универсальное управление и специализированные модули, отличается высокой интеграцией и универсальностью.

FPGA ориентирована на аппаратную программируемость и гибкие итерации, идеально подходя для разработки, отладки и обновления функций. ASIC полностью кастомная и фиксированная, оптимизирована для крупносерийного производства с целью достижения сверхнизкого энергопотребления и стоимости. SoC занимает промежуточное положение: за счет программного обеспечения гибко адаптируется к различным сценариям, сочетая интеграцию, производительность и универсальность, являясь основным выбором для потребительской электроники и интеллектуальных устройств.

Лучшие компании-производители FPGA чипов Лидеры рынка

Конкуренция на глобальном рынке FPGA сформировалась и стабильна. Ведущие бренды за счет собственных разработок в области технологических процессов и накопленного опыта занимают дифференцированные позиции на своих сегментах, полностью охватывая ускорение высококлассных вычислений, универсальное промышленное управление, высоконадежную аэрокосмическую и оборонную технику, а также маломощные пограничные приложения.

Ниже представлена сводная информация от ведущих производителей FPGA, которая поможет вам быстро оценить свои требования и эффективно выбрать решение.

Компания Eastech предоставляет комплексные услуги по поставке и подбору глобальных решений на основе FPGA и ASIC, охватывая ресурсы ведущих брендов для обеспечения стабильных поставок и оперативного реагирования. Мы — надежный партнер для ваших потребностей в электронных компонентах.

В части решений на основе FPGA мы сосредоточены на продукции ведущих международных поставщиков, таких как AMD (Xilinx) и Intel (Altera), предлагая полный ассортимент моделей и надежные запасы. Наш портфель поддерживает разнообразные сценарии применения, включая высокопроизводительные вычисления, дата-центры, медицинское оборудование, коммуникационные устройства, промышленное управление и встраиваемые системы, помогая глобальным клиентам эффективно перейти от выбора решения к стабильным поставкам.

Заключение: 

Понимание различий между FPGA и ASIC необходимо для принятия решений при проектировании и закупке. В Eastech мы предлагаем широкий спектр решений на основе FPGA, ASIC и связанных полупроводниковых компонентов, помогая клиентам подобрать подходящие элементы для своих проектов. Благодаря оригинальным заводским компонентам и надежным поставкам мы обеспечиваем достижение вашими электронными системами высокой производительности и эффективности.