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比較 FPGA、結構化 ASIC 與標準單元 ASIC

每種類型的客製化邏輯解決方案各有所長,取決於彈性、耗電量、效能、上市時間和總持有成本的組合。

客製化邏輯硬體類型:

  • FPGA 可重新程式化,在彈性、效能和功率之間取得了良好的平衡,通常開發成本最低,上市時間最快,而且通常能快速因應瞬息萬變的市場和客戶需求。

  • 結構化 ASIC 的核心功率降低高達 50%,單位成本通常比 FPGA 低,相較於標準單元 ASIC,上市時間更快,且 NRE 更低。

  • 通常標準單元 ASIC 的每單位成本最低、耗電量最低,效能也最快,但相較於結構化 ASIC,前置 NRE 成本通常高出許多,設計週期更長,耗用的資源也更多。

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作者

硬體加速,尤其是採用客製化邏輯的形式,正協助無線網路、雲端服務供應商和其他企業,快速滿足對於效能、低功率和低總持有成本日益增加的需求。以高頻寬無線服務為例,5G 需要以有限的功率預算提供更高的時脈速率。

在早期階段,無線設備的可程式化產品比固定硬體更佔設計優勢,這點在網路逐漸進化之際更顯而易見。在雲端資料中心,客製化邏輯可加速與儲存裝置、安全性和其他功能相關的演算法。AI 推論加速或許能嘉惠邊緣和嵌入式應用。另外,加速還支援以挑戰性高的散熱預算轉換為最新的 8K 高解析度視訊標準。

就硬體設計而言,系統架構設計師有好幾個類型的客製化邏輯解決方案可以選擇。FPGA、結構化 ASIC 和 ASIC 都是客製化邏輯系列的一部分。為了平衡彈性、效能、功率和總持有成本需求,以及上市時間需求,架構設計師必須選擇最適合他們情況的硬體類型。

FPGA

可現場程式化閘道陣列(FPGA)是有可程式化硬體網狀架構的積體電路。FPGA 內的電路設計可執行各種不同的功能,而且能夠視需求重新程式化以執行這些功能。因此,就彈性及上市時間而言,FPGA 通常是絕佳的選擇。

FPGA 是由客戶在實驗室或現場預先製造及程式化。FPGA 不需要非週期性工程成本(NRE),可協助創新者超快上市。因此,FPGA 是在瞬息萬變環境中創造差異化的絕佳選項。

ASIC

隨著新功能日趨成熟,強化積體電路設計不僅更經濟,也更為節能。特定應用積體電路(ASIC)是專為特定功能專門打造量產。它們與 FPGA 不同,不僅無法重新程式化,還需要大量的 NRE 投資。

若為標準的標準單元 ASIC,積體電路的每一層都必須客製化。這需要專門的設計團隊,以及為預期功能設計的軟體工具,並且在測試設計(DFT)架構開發方面,挹注大量投資,才能確保設計可製造且品質優異。

結構化的 ASIC

結構化 ASIC 是 FPGA 與標準單元 ASIC 之間的遞增步驟。結構化 ASIC 的起點,是具有邏輯、記憶體、I/O、收發器和硬體處理器系統常見基本陣列。設計人員只需將交互連線客製化即可,可略過標準單元 ASIC 設計流程所涉及的多個步驟,專注於執行預期的客製化功能。從本質上來講,相較於 FPGA,結構化 ASIC 以更低的單位成本提供了更低的耗電量,而相較於標準單元 ASIC,結構化 ASIC 以更低的 NRE 加速了上市時間。

要在什麼時間選擇何者?

設計師與系統架構設計師必須在彈性、效能、耗電量和總持有成本,以及上市需求之間取得平衡,才能就客製化邏輯技術解決方案做出選擇。

效能與耗電量

儘管相較於 FPGA 或結構化 ASIC 裝置,標準單元 ASIC 前置 NRE 投資更高,設計週期更長,但為了儘量提高效能功耗比,標準單元 ASIC 或許是最佳選擇。另外,這個選擇假定,產品在產品生命週期無需重新程式化或變更演算法。

開發與生產成本

對於關注開發成本的專案,結構化 ASIC 或 FPGA 或許都是最佳選擇。雖然 ASIC 每單元製造成本最低,但 NRE 成本卻最高,因此這個選項可能僅適用於產量預期高出許多的設計。FPGA 設計通常不需要前置 NRE 成本,單元數量可能介於數百和數十萬之間。由於結構化 ASIC 設計流程簡化而且可客製化,因此相較於位於類似處理序節點的標準單元 ASIC,開發成本更低,因此可以是量少時的經濟方法,可同時節省成本和電力消耗。

上市準備時間

最關注上市時間的專案應該首先考慮 FPGA。視設計的複雜度而定,FPGA 的設計時間短則數週,長則數月。結構化 ASIC 耗時約六至九個月,視複雜度而定,而標準單元 ASIC 需要 的時間則介於 18 至 24 個月。

規劃移轉路徑

執行客製化邏輯解決方案時,務必思考從一類客製化邏輯技術移轉至另一個類型技術的路徑,才能支援從原型設計和早期生產至量產的生命週期需求。在 FPGA 起始的設計,透過結構化或標準單元 ASIC 皆可強化。同樣地,系統架構設計師為了大幅擴充量,可以從結構化 ASIC 移轉至標準單元 ASIC。

然而,若要從一個類型的硬體移轉至另一種類型,可能不僅需要變更印刷電路板(PCB),還需要變更智慧財產以及處理器和相關的軟體開發。這些變更會增加移轉的時間與成本。

Intel® FPGA、結構化 ASIC 與標準單元 ASIC

為 FPGA、結構化 ASIC 和標準單元 ASIC 開發採用數個供應商,伴隨而來的挑戰包括相容性,以及將設計從一個開發流程轉譯至另一個開發流程,進而延遲上市時間。

Intel 提供完整的客製化邏輯解決方案系列時,簡化了移轉過程,並且縮短潛在的重做作業量。現在設計師有各種解決方案可選擇,可針對每項專案和整個產品生命週期將彈性、功率、效能、成本和上市時間需求最佳化。Intel® FPGA 透過最極致的彈性,締造快速的上市時間。Intel® eASIC™ 結構化 ASIC 可減少耗電量和每部裝置的成本,同時提供比標準單元 ASIC 還低的 NRE 及更快的上市時間。

這個經強化的選項也獲得,利用 Intel® FPGA 與客製化套件解決方案的相容硬核處理器與安全系統支援的支援。這樣一來,製造商便能避免成本高昂的 PCB 重新設計工作。

Intel® FPGA

Intel® FPGA 產品囊括眾多家族,包括備受肯定的 Intel® Agilex™ 與 Intel® Stratix® 系列。Intel® FPGA 是為了在小功率封包實現高速所打造,可協助系統架構設計師在效能、功率與價格限制範圍內,實現快速上市。此外,由於這些 FPGA 與 Intel 最新的結構化 ASIC 共用相同的 IP,因此可作為日後可能移轉至結構化 ASIC 設計的起點,並享有相關優勢。

Intel® eASIC™ 裝置

Intel® eASIC™ 裝置屬於結構化 ASIC,旨在降低功率以及與 FPGA 相關的每單位成本,而且相較於標準單元 ASIC,NRE 更低,上市時間更快。

Intel® eASIC™ N5X 首度新增四核心硬核處理器系統,以及自 Intel® Agilex™ FPGA 改造的安全裝置管理員。

Intel® FPGA 和 Intel® eASIC™ N5X 裝置皆提供包括 JESD204 ADC/DAC 在內的介面,以及包括 10/25G 乙太網路在內的連線通訊協定,可輕鬆移轉設計。

Intel® easicopy™ 裝置

Intel® easicopy™ 裝置支援移轉至超高量生產,提供了從結構化移轉至標準單元 ASIC 的順暢途徑。這些裝置透過在標準單元閘道執行客戶設計的方式運作,不過從結構化 ASIC 家族借用了部分處理器、安全措施、收發器與 IO IP。

開發人員工具

除了硬體之外,Intel 還提供開發人員工具與軟體。Intel® Quartus® Prime Pro Edition 軟體這類開發者工具有助於縮短 FPGA 設計的開發時間,並能降低成本。

Intel® eASIC™ eTools 利用內部開發與業界標準第三方工具的組合,提供了設計轉換與驗證的架構。這包括綜合與模擬資料庫、執行 eASIC 功能的 IP 包裝函式、程式碼驗證,以及執行第三方綜合與模擬工具用的指令碼。硬核處理器系統配置採用 Intel® Quartus® 軟體 Platform Designer。DSP Builder for Intel® FPGAs 也可輸出 FPGA 和 eASIC™ 就緒的 RTL 程式碼。

憑藉多樣化的晶片產品組合,Intel 讓系統架構設計師可設計客製化程度超高的解決方案。只有 Intel 提供 Intel® Xeon® 處理器、Intel® FPGA、ASIC,以及新的結構化 ASIC 裝置。這個組合包含客製化邏輯系列,讓架構師能滿足上市時間、效能、功率和成本的獨特需求。

常見問題集

FPGA 和 ASIC 無論屬於結構化或標準單元,都能因應相同類型的應用,例如無線網路或雲端儲存裝置加速。差異在於因應瞬息萬變需求的彈性、效能和電源效率,以及開發時間與成本。

若要追求最快上市時間,或是硬體為了在日後執行不同的功能而計劃重新程式化,FPGA 都是理想的選擇。若功能固定不變,而且更看重耗電量和降低單位成本,那麼結構化 ASIC 便是較好的選項。

若是功能可以修復,那麼從功率、效能和成本的觀點來看,從 FPGA 移轉至結構化 ASIC 是合情合理的作法。

結構化和標準單元 ASIC 的每單位成本皆比 FPGA 低。另外,相較於 FPGA,它們提供的效能更高,耗電量更低。妥協讓步之處包括,增加 NRE 費用、開發週期大幅延長,以及缺少 FPGA 提供的可程式性。