FPGA是ASIC设计者的一道普通难题？

随着开发 ASIC 与 SOC 的掩膜费用、复杂度和工具成本的上升，今天很多设计小组正在选用 FPGA 实现自己的产品设计。但是，在设计者跨出这一步之前，应从好、坏两个方面着手考虑多种因素。

　要点：

　* 设计者应听从 80% 的规则：如果你希望达到高性能目标，就要再以20%购买一种带有 LUT（查找表）的 FPGA。

　* 最大的 FPGA 可以运行在 550 MHz。

　* 最大的 FPGA 有 33 万个逻辑单元，或大约等效于 1200 万个 ASIC 门。

　* FPGA 供应商的综合工具效率不及商业 EDA 公司的 FPGA 综合工具。

　* 当选择一种 FPGA 时，注意观察布局与硬接线宏结构；这些会带来能影响时序的布局挑战。

　过去 10 年来，FPGA 供应商在克服 FPGA 缺点方面取得了很大的进步，并从 ASIC 市场赢得了份额。在 90 年代末，FPGA 供应商增加了器件的容量，以抗衡中等规模 ASIC。然后在大约 2001 年，FPGA 供应商改进了器件的性能，与中等规模的 ASIC 竞争。尽管 FPGA 的功耗仍然远远高于密度与性能相当的 ASIC，但去年，FPGA 供应商迈出了一大步，稳定了 FPGA 的功耗（参考文献 1）。

　在实现器件属性的同时，FPGA 价格也在下降。Actel、Altera、Lattice、Quicklogic 和 Xilinx 都提供范围广泛的器件，从每只几分钱的 CPLD（复杂可编程逻辑器件）到加密的非易失性 FPGA，还有高性能、高 LUT（查寻表）数、基于 SRAM 的 FPGA，它每片价格高达数千美元。

　在 FPGA 业的早期，设计者主要将最昂贵和最高级的 FPGA 用于原计划用 ASIC 实现的功能原型代码，或用作系统设计的概念验证。他们会为自己的 ASIC 创建逻辑，运行验证，作 ASIC 设计分区，然后将这些分区编入一块原型板上的多个 FPGA 中（参考文献 2）。今天的设计者仍然使用这种方法，不过，由于 FPGA 各方面都有了提高，很多设计者甚至将最高级和最昂贵的 FPGA 用于生产部件。

　我们很容易从一家 FPGA 供应商找到一位对 FPGA 赞不绝口的营销执行官，他会大谈 FPGA 如何取代 ASIC 的份额，甚至是用于量产。设计者也正在逐步认识到 FPGA 确实是真正可行的量产载体，设计者应当不再简单地把 FPGA 看作一种 ASIC 原型工具。

　　Sanjay Singh 是惠普公司不间断计算机部负责 ASIC/FPGA 设计的技术领导，他在职业生涯中设计过 10 种 FPGA 和 25 到 30 种 ASIC。他在 Tandem Computer 时开始设计 ASIC，后该公司在 1996 年被 Compaq 收购，HP 又在 2002 年收购了 Compaq。Singh 说：“我开始是用 0.5 微米为东芝不间断计算机做ASIC。”现在，他的小组正在用 110 纳米和 90 纳米节点设计 ASIC，并且当需要时，他的小组会用最高级的基于 SRAM的 FPGA（如 Altera 的 Stratix 级和 Xilinx Virtex 级器件）设计服务器应用。

　Singh 说：“我们的系统基于 Intel 的 Itanium 服务器芯片，而我们设计的 FPGA 必须与内存、I/O 和处理器通信。我们的增值是在硬件上，因此必须完成通信功能、端口功能、数据完整性功能，以及复制功能。我们设计的 FPGA 一般是在处理器板上，终端系统价格将在一百万美元以上。”

　另一方面，Ranjit Rozario 是新兴通信公司 Sonoa Systems 的一名高级设计工程师。这家公司的 100 名员工主要由软件工程师组成，Rozario 是其中少数硬件设计师之一。作为一名长期以来从事 ASIC的设计者，Rozario 最近第一次尝试了 FPGA 设计，最终选择了一片 Virtex-5 LX 220。

　　Singh 和 Rozario 都认为，他们频繁地采用 FPGA有多种原因，但指出了用 FPGA 设计的优缺点。因此，当作这种转变时，ASIC 设计者必须考虑到多个因素，如设计规模、性能和功耗预算、PCB（印制电路板）要求、设计与验证要求，以及 FPGA 工具的局限。SRAM FPGA 也会带来新的挑战，例如软错误，这在 SRAM 结构中比标准单元更加常见。

　　为什么转向 FPGA？

　　设计者选择 FPGA 代替 ASIC 有几个原因：FPGA 是可重新编程和现场升级的，设计周期短于 ASIC（图 1）；FPGA 对高成本、低批量应用有更好的价格；它们相对稳定，因此你可以避免重新投片、掩膜的费用，并免除购买DFM（可制造设计）工具。