Flash FPGA、ASIC、SRAM FPGA你選擇誰？

Flash based FPGA, ASIC, SRAM-based FPGA, which one do you choose ? 

近年來，F(xiàn)PGA器件的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大。由于這種極其靈活的器件提供的通用平臺(tái)能夠針對(duì)特定的應(yīng)用進(jìn)行快速編程，并且可以在設(shè)計(jì)迭代中進(jìn)行重復(fù)編程，因此它們迅速成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的中流砥柱。
---但是，F(xiàn)PGA在量產(chǎn)類產(chǎn)品中仍未得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)工程師們準(zhǔn)備將設(shè)計(jì)用于產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)，他們通常會(huì)選擇基于標(biāo)準(zhǔn)單元的ASIC方式。

  

ASIC與FPGA的比較
---在產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)，ASIC具有單位成本低、性能高、功耗低等顯著優(yōu)勢(shì)。但是，隨著ASIC廠家采用昂貴的深亞微米工藝技術(shù)，NRE（non-recurring expenses，不可逆費(fèi)用）迅速增大，ASIC的傳統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)開始逐漸減弱。
---今 天，通過采用最新的半導(dǎo)體工藝和新式架構(gòu)，F(xiàn)PGA不僅在單位成本上與傳統(tǒng)ASIC芯片相當(dāng)，而且在功耗、安全性、可靠性、加電有效性、單片集成度、尺 寸、易用性和性能等ASIC的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域具有同等的甚至更好的表現(xiàn)。隨著這些新型器件的出現(xiàn)，一個(gè)以價(jià)格為基礎(chǔ)的FPGA市場(chǎng)正在逐步形成，并大有取代 ASIC之勢(shì)，尤其是在消費(fèi)電子、汽車電子等對(duì)價(jià)格敏感的應(yīng)用領(lǐng)域。
---許多FPGA廠商都試圖以低成本器件在這個(gè)充滿商機(jī)的市場(chǎng)中一試高下。但是我們必須注意到：某些FPGA技術(shù)并不具備上述各種類似ASIC的性能，甚至?xí)a(chǎn)生額外的成本。這些額外的成本必須納入系統(tǒng)的總成本之中。
---兩種技術(shù)方案的對(duì)比
---在 這場(chǎng)“價(jià)格”大戰(zhàn)中，F(xiàn)PGA廠商可以提供兩種主要的FPGA技術(shù)：Flash和SRAM。表面上看來，這兩種FPGA技術(shù)具有 相似的特性和性能：都可以進(jìn)行在系統(tǒng)編程，都具有較高的性能，系統(tǒng)門的密度都可達(dá)1M以上。但實(shí)際上，這兩種技術(shù)具有很大的差異。
---相比基于SRAM的器件而言，基于Flash的可重編程器件的主要優(yōu)勢(shì)在于其具有非易失性的特性。基于Flash的FPGA采用Flash編程單元來控制FPGA內(nèi)部的開關(guān)邏輯門。
---基 于Flash的FPGA編程單元是單管結(jié)構(gòu)，而基于SRAM的FPGA采用六管SRAM單元進(jìn)行開關(guān)控制，并且其開關(guān)本身還要占用一個(gè)傳輸門。在系統(tǒng)每次 加電時(shí)，我們必須從某個(gè)外部器件中加載SRAM FPGA的配置信息。而基于Flash的FPGA是單芯片結(jié)構(gòu)，在加電之前其配置就是有效的，從而大大節(jié)約了成本。
---從系統(tǒng)安全的角度來看，基于Flash的FPGA具有更高的安全性，硬件出錯(cuò)的幾率更小，并能夠通過公共網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)安全性遠(yuǎn)程升級(jí)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)處理即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級(jí)換代。這種性能減少了現(xiàn)場(chǎng)解決問題所需的昂貴開銷。
---在Flash器件中集成小型的NVM（nonvolatile memory，非易失性存儲(chǔ)器）模塊可以在某些消費(fèi)電子和汽車電子應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)授權(quán)技術(shù)。這種NVM可以存儲(chǔ)安全通信所需的密鑰，或者針對(duì)基于廣播的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)頂盒設(shè)備的串行化。
---可重編程的NVM模塊在90nm邏輯SRAM工藝下是無法實(shí)現(xiàn)的，并且所有的SRAM FPGA廠商也不提供這種模塊。將單獨(dú)的NVM模塊集成到SRAM陣列中是可行的，但是將其他工藝下的NVM模塊集成到90nm SRAM工藝中卻極具挑戰(zhàn)性。
---此外，可重編程的NVM在編程時(shí)需要一定的電壓，因此SRAM用戶必須從外部提供這種電壓?；贔lash的FPGA（例如Actel的ProASIC3）采用內(nèi)部電荷泵進(jìn)行編程，不需要集成NVM模塊，而基于SRAM的FPGA通常缺乏這種功能。
---Actel公司推出的 ProASIC3/E FPGA工作頻率可達(dá)350MHz，小規(guī)模器件（30 000門）的起價(jià)僅為1.50美元（250 000個(gè)）。
---Flash 器件（例如Actel的ProASIC3/E）的工作頻率可達(dá)350MHz，利用率超過95%，而SRAM FPGA一般能夠達(dá)到的利用率僅為70%到75%。Flash FPGA在加電時(shí)沒有像SRAM FPGA那樣大的瞬間高峰電流，并且SRAM FPGA通常具有較高的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。
---例如，一塊40萬門的基于 Flash的FPGA需要20mA的靜態(tài)電流，然而同等規(guī)模的基于SRAM的FPGA所需的電流達(dá)5倍之多。SRAM FPGA的功耗問題往往迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者不得不增大系統(tǒng)供電電流，并使得整個(gè)設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。Flash FPGA的功耗特性與ASIC和ASSP十分類似，減少了對(duì)電源供電的需求。

單片成本與系統(tǒng)成本的對(duì)比
---要想立足于瞬息萬變的市場(chǎng)，工程師們所需的方案必須具有像FPGA那樣的靈活性和快速變換的能力，同時(shí)還要具有像傳統(tǒng)ASIC那樣較低的單片成本、安全性、加電有效性和功耗優(yōu)勢(shì)。
---作 為價(jià)格市場(chǎng)中的一個(gè)范例，如表2所示。Actel公司推出的基于Flash的FPGA ProASIC3 在30 000門集成度下的售價(jià)僅為1.5美元（250 000個(gè)），其4倍集成度的器件價(jià)格也不超過5美元（500 000個(gè)）。而基于SRAM的FPGA在10美元以內(nèi)只能提供2～3倍的器件密度，同等單片器件的價(jià)格達(dá)到了與ASIC價(jià)格相近的5美元左右。
---在增大了系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上，SRAM FPGA通常還需要額外的支撐電路。除了使用自舉PROM或微控制器來加載SRAM FPGA配置數(shù)據(jù)之外，設(shè)計(jì)者通常還必須采用SRAM斷電檢測(cè)設(shè)備來確保系統(tǒng)的可靠性。
---在 最新的90nm工藝下制造的基于SRAM的FPGA還必須滿足嚴(yán)格的加電規(guī)范以及苛刻的電源容差，這通常都要使用電源定序設(shè)備。在很多應(yīng)用中，我們必須使 用外部的時(shí)鐘分布設(shè)備來處理系統(tǒng)的時(shí)鐘管理任務(wù)，因?yàn)镾RAM FPGA的加電配置延遲使其內(nèi)部的PLL/DLL電路無法完成時(shí)鐘管理任務(wù)。
---采用Flash器件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只需要一種1.5V的電壓，而SRAM器件的內(nèi)核需要1.2V的電壓，器件配置需要2.5V的電壓。對(duì)Flash FPGA經(jīng)過一次編程之后，它們就不再需要配置電壓了，并且其內(nèi)核與I/O都可以工作在1.5V電壓之下。
---總而言之，基于SRAM的FPGA所需的外部支撐電路成本在3～20美元之間。SRAM系統(tǒng)的額外開銷有可能超過芯片的單片價(jià)格，更不用說還要耗費(fèi)可靠性維護(hù)、庫存管理和設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)性等軟件開銷了。