FPGA 是 ASIC 设计者的一道普通难题 作者:Michael Santarini 作者:Michael Santarini 摘要: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. 关键词:ASIC,FPGA 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 A SIC,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, (印制电路板) PCB 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. 但是 Singh 称他的小组使用 FPGA 主要有两个原因.首先是 FPGA 能使他的小组将大量 功能从 PCB 上拿掉,集成到一片 FPGA 中,增加速度性能和节省 PCB 空间.第二个也 是最有说服力的理由,Singh 说使用 FPGA 只是因为 ASIC 的单位批量有时无法分担掩 膜,设计与工具的成本,并且最重要的还有风险(图 2) .Singh 说:"FPGA 已得到发展, 在很多情况下, 它们可以满足你对性能和密度的要求. 如果你正在设计一款中等规模的中等 级别 ASIC,你就该问问自己:'我要花费 2 百万到 3 百万美元去做一个 90 nm 或 65 nm 的 ASIC 吗 或者我用 90 nm 或 65 nm FPGA 技术能否得到相同的好处.'" Singh 指出,对于采用新架构,不需要像以往那样使用大量块的设计,他的小组更倾向于 FPGA 而不是 ASIC.由于 FPGA 可以重新编程,小组就可以尝试新的架构,当要修改时 只需简单地重编程 FPGA. 与 Singh 的小组类似, Rozario 的小组亦更爱用 FPGA 而不是 ASIC, 主要是出于成本因素. Rozario 说:"当你是一家新兴公司并且资金紧张时,首先要做的事就是寻找一种 FPGA, 因为它的开发成本低得多,并且没有掩膜费用." Rozario 称,他的公司希望在下一代产品中,用单片 FPGA 硬件实现很多软件功能,以实 现功能的集成和提速.他说:"我们开始时确实不清楚要将哪些功能移到芯片中,哪些功能 需要加速."他青睐 FPGA 的原因是小组在进程后期需要加快速度时,能够在 FPGA 上增 加或减少功能."FPGA 最棒的地方是你一直有改变的选择权." 尽管选择转用 FPGA 相当简单,但 Rozario 和 Singh 也指出用 FPGA 作设计需要经过一 些学习.两个工程师都认为,你在决定采用 FPGA 后,下一步就是选择一款正确的型号. 确定 FPGA 需求 设计者需要从多个供应商那里查看有哪些可用的 FPGA 系列产品,找到性能,功耗与密度 的正确组合.但购买时要记住:当从 ASIC 转向 FPGA 时,设计者需要了解的第一件事是 确定一个性能等级指标,你购买的器件密度应比自己需要的高 20%. 对于 Singh 迄今使用最多的 10 种 FPGA,他表示大多数选择的因素是要符合公司对批量 与性能的要求.他解释说:"在所有这些情况下,我们都必须从频率,I/O 时间和使用率各 个方面对设计作全面分析".他的小组使用了一种经验法则,即如果你正在使用设计总资源 的 60% 至 75%,则从一种编译到另一种编译之间的小变动就会给你一个满足性能需求并

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