Flash FPGA、ASIC、SRAM FPGA你選擇誰(shuí)？

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

近年來(lái)，FPGA器件的應用領(lǐng)域在不斷擴大。由于這種極其靈活的器件提供的通用平臺能夠針對特定的應用進(jìn)行快速編程，并且可以在設計迭代中進(jìn)行重復編程，因此它們迅速成為電子系統設計領(lǐng)域的中流砥柱。
---但是，FPGA在量產(chǎn)類(lèi)產(chǎn)品中仍未得到廣泛應用。當工程師們準備將設計用于產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)，他們通常會(huì )選擇基于標準單元的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(zhù)優(yōu)勢。但是，隨著(zhù)ASIC廠(chǎng)家采用昂貴的深亞微米工藝技術(shù)，NRE（non-recurring expenses，不可逆費用）迅速增大，ASIC的傳統成本優(yōu)勢開(kāi)始逐漸減弱。
---今 天，通過(guò)采用最新的半導體工藝和新式架構，FPGA不僅在單位成本上與傳統ASIC芯片相當，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的傳統優(yōu)勢領(lǐng)域具有同等的甚至更好的表現。隨著(zhù)這些新型器件的出現，一個(gè)以?xún)r(jià)格為基礎的FPGA市場(chǎng)正在逐步形成，并大有取代 ASIC之勢，尤其是在消費電子、汽車(chē)電子等對價(jià)格敏感的應用領(lǐng)域。
---許多FPGA廠(chǎng)商都試圖以低成本器件在這個(gè)充滿(mǎn)商機的市場(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(lèi)似ASIC的性能，甚至會(huì )產(chǎn)生額外的成本。這些額外的成本必須納入系統的總成本之中。
---兩種技術(shù)方案的對比
---在 這場(chǎng)“價(jià)格”大戰中，FPGA廠(chǎng)商可以提供兩種主要的FPGA技術(shù)：Flash和SRAM。表面上看來(lái)，這兩種FPGA技術(shù)具有 相似的特性和性能：都可以進(jìn)行在系統編程，都具有較高的性能，系統門(mén)的密度都可達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)勢在于其具有非易失性的特性?；贔lash的FPGA采用Flash編程單元來(lái)控制FPGA內部的開(kāi)關(guān)邏輯門(mén)。
---基 于Flash的FPGA編程單元是單管結構，而基于SRAM的FPGA采用六管SRAM單元進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，并且其開(kāi)關(guān)本身還要占用一個(gè)傳輸門(mén)。在系統每次 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是單芯片結構，在加電之前其配置就是有效的，從而大大節約了成本。
---從系統安全的角度來(lái)看，基于Flash的FPGA具有更高的安全性，硬件出錯的幾率更小，并能夠通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò )實(shí)現安全性遠程升級，經(jīng)過(guò)現場(chǎng)處理即可實(shí)現產(chǎn)品的升級換代。這種性能減少了現場(chǎng)解決問(wèn)題所需的昂貴開(kāi)銷(xiāo)。
---在Flash器件中集成小型的NVM（nonvolatile memory，非易失性存儲器）模塊可以在某些消費電子和汽車(chē)電子應用中實(shí)現授權技術(shù)。這種NVM可以存儲安全通信所需的密鑰，或者針對基于廣播的系統實(shí)現機頂盒設備的串行化。
---可重編程的NVM模塊在90nm邏輯SRAM工藝下是無(wú)法實(shí)現的，并且所有的SRAM FPGA廠(chǎng)商也不提供這種模塊。將單獨的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(hù)必須從外部提供這種電壓?；贔lash的FPGA（例如Actel的ProASIC3）采用內部電荷泵進(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350MHz，小規模器件（30 000門(mén)）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350MHz，利用率超過(guò)95%，而SRAM FPGA一般能夠達到的利用率僅為70%到75%。Flash FPGA在加電時(shí)沒(méi)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(wàn)門(mén)的基于 Flash的FPGA需要20mA的靜態(tài)電流，然而同等規模的基于SRAM的FPGA所需的電流達5倍之多。SRAM FPGA的功耗問(wèn)題往往迫使系統設計者不得不增大系統供電電流，并使得整個(gè)設計變得更加復雜。Flash FPGA的功耗特性與ASIC和ASSP十分類(lèi)似，減少了對電源供電的需求。

單片成本與系統成本的對比
---要想立足于瞬息萬(wàn)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ASIC那樣較低的單片成本、安全性、加電有效性和功耗優(yōu)勢。
---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(mén)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(guò)5美元（500 000個(gè)）。而基于SRAM的FPGA在10美元以?xún)戎荒芴峁?～3倍的器件密度，同等單片器件的價(jià)格達到了與ASIC價(jià)格相近的5美元左右。
---在增大了系統成本的基礎上，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(lái)加載SRAM FPGA配置數據之外，設計者通常還必須采用SRAM斷電檢測設備來(lái)確保系統的可靠性。
---在 最新的90nm工藝下制造的基于SRAM的FPGA還必須滿(mǎn)足嚴格的加電規范以及苛刻的電源容差，這通常都要使用電源定序設備。在很多應用中，我們必須使 用外部的時(shí)鐘分布設備來(lái)處理系統的時(shí)鐘管理任務(wù)，因為SRAM FPGA的加電配置延遲使其內部的PLL/DLL電路無(wú)法完成時(shí)鐘管理任務(wù)。
---采用Flash器件進(jìn)行設計時(shí)只需要一種1.5V的電壓，而SRAM器件的內核需要1.2V的電壓，器件配置需要2.5V的電壓。對Flash FPGA經(jīng)過(guò)一次編程之后，它們就不再需要配置電壓了，并且其內核與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系統的額外開(kāi)銷(xiāo)有可能超過(guò)芯片的單片價(jià)格，更不用說(shuō)還要耗費可靠性維護、庫存管理和設計負責性等軟件開(kāi)銷(xiāo)了。