¿Qué dirección es más prometedora, FPGA o ASIC?
Comparación entre ASIC y FPGA
ASIC utiliza un modo fijo cableado, mientras que una matriz de puertas programables en campo (FPGA) utiliza un método de chip configurable. Estos son muy diferentes. Los dispositivos programables son la novedad en este momento, y las tecnologías híbridas también desempeñarán un papel en el futuro.
Al igual que con otras tecnologías, los informes de que la tecnología ASIC está obsoleta son prematuros. Es posible que el número de nuevos productos ASIC haya disminuido significativamente, pero sus ventas siguen siendo bastante altas, especialmente en la región de Asia y el Pacífico. Además, el uso de enfoques híbridos, como los ASIC estructurados, ha dado nueva vida a la tecnología. Mientras tanto, los FPGA (y otros dispositivos lógicos programables) están dejando su huella, ganando una importante cuota de mercado masivo y ascendiendo desde aplicaciones de gama baja.
Cada tecnología tiene sus defensores. En términos generales, los ASIC se utilizan para proyectos a gran escala, mientras que los FPGA son más adecuados para proyectos más pequeños que deben comercializarse rápidamente y admitir actualizaciones remotas. Los proveedores de ASIC y FPGA no se ponen de acuerdo sobre los méritos relativos de estas dos tecnologías y tienen puntos de vista diferentes sobre las áreas de aplicación adecuadas. Es probable que las tecnologías antes mencionadas y sus tecnologías derivadas existan durante mucho tiempo en el futuro.
David Greenfield, director senior de FPGA de alta densidad en Altera Corp., señaló que la principal ventaja de la tecnología FPGA sigue siendo el poco tiempo que tardan los productos en salir al mercado. Dijo: "En las nuevas soluciones de diseño actuales, se prefiere FPGA a ASIC. La tecnología ASIC tiene su valor y su rendimiento, densidad y capacidad unitaria son bastante excelentes. Sin embargo, con el desarrollo de FPGA y ASIC, el aumento de los costos conducirá a una reducción de la cuota de mercado de los ASIC "Lo que entra en juego detrás de las tendencias anteriores es el desarrollo de los FPGA en términos de rendimiento, densidad y costes de fabricación.
Greenfield señaló que el alto rendimiento alguna vez fue la ventaja de ASIC sobre FPGA. En ese momento, FPGA era inferior en rendimiento y funcionalidad. A medida que el proceso de fabricación de chips ha evolucionado de 180 nm a 130 nm o incluso 90 nm, la situación anterior ha cambiado mucho. Ahora el rendimiento de FPGA puede satisfacer las necesidades de la mayoría de las aplicaciones (excepto las más exigentes) y el nivel de densidad ha aumentado. alcanzó el nivel de diseño lógico 80. Explicó: "Algunos diseñadores de sistemas también reconocen que el área de mercado de los ASIC se encuentra en productos de rendimiento y densidad extremadamente altos, lo cual es un área de mercado muy riesgosa. La NRE (ingeniería no repetitiva) y los costos de desarrollo son muy riesgosos para este tipo de dispositivos".
Altera señaló que los FPGA anteriores solo se usaban para el desarrollo de prototipos o aplicaciones de bajo volumen/baja densidad. Ahora la tecnología se ha utilizado ampliamente en la electrónica de consumo y también se usa ampliamente en la electrónica de consumo. utilizado en aplicaciones de alta densidad. Greenfield señaló que el precio unitario del FPGA de mayor densidad (90 nm) sigue siendo significativamente más alto que el del ASIC. "Pero incluso para las aplicaciones de mayor densidad, cuando se tienen en cuenta factores como el desarrollo y los costes de NRE, los resultados siguen favoreciendo la tecnología FPGA", afirmó.
Los ASIC de Texas Instruments funcionan principalmente en una unidad. base, sirviendo a un número limitado de grandes clientes. Estos dispositivos ASIC suelen tener un número de puertas promedio cinco veces mayor que el de los ASIC estándar de la industria y se utilizan principalmente en aplicaciones altamente complejas y de gran volumen. Estas aplicaciones requieren un alto grado de diferenciación en redes comerciales y tecnologías de telecomunicaciones.
John DiFilippo, diseñador de tecnología de silicio de la unidad de negocios de infraestructura de comunicaciones ASIC de TI, señaló: "La inversión inicial en el desarrollo de ASIC es mayor por unidad. Pero en situaciones de alto rendimiento, el retorno de la inversión será considerablemente mayor". mejorado porque sus chips son más pequeños y de menor costo unitario. Cuando el precio unitario del producto terminado no es importante, o cuando el tiempo de comercialización del producto es corto, o la inversión inicial es pequeña, FPGA es una mejor opción.
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DiFilippo cree que los clientes de TI requieren un buen rendimiento de costos, lo cual es difícil de lograr para los FPGA y los ASIC estructurales. Los FPGA y los ASIC estructurales son más adecuados para el amplio mercado medio. Dijo: “FPGA y ASIC estructurados son adecuados para aplicaciones de bajo volumen y de corta duración donde los clientes están dispuestos a sacrificar la funcionalidad y el rendimiento pero aun así lograr los objetivos del sistema. ”
Sin embargo, TI está de acuerdo con ambas tecnologías competidoras. TI ha introducido nuevas funciones para dispositivos ASIC celulares que le permiten brindar flexibilidad similar a la de una matriz de puertas, implementaciones de ciclos más cortos y requisitos de dispositivo más bajos. Lo logrado al rediseñar. TI también ha desarrollado productos ASIC de "plataforma" que se pueden utilizar en múltiples líneas de productos de clientes y señaló que puede reducir el costo de desarrollo por sistema.
TI cree que el método ASIC celular es. más adecuado para las siguientes situaciones:
■ El número de puertas y bits de memoria supera los 10 millones;
GE Fanuc Automation cree que la "ventaja" real tiene dos aspectos: primero , se puede desarrollar rápidamente con piezas estándar confiables y se puede modificar fácilmente para agregar nuevas funciones; en segundo lugar, los errores se pueden corregir durante el desarrollo o durante el ciclo de vida del producto Richard, ingeniero senior de GE Fanuc Reed, señaló que, a diferencia de los ASIC, Los FPGA vienen con más funciones como estándares integrados, como capacidad de prueba o interfaces JTAG, lo que puede ahorrar tiempo y costos de diseño.
Los FPGA aceleran los lanzamientos de productos: "El gran uso de componentes estándar. hace que los FPGA tengan un precio más competitivo en relación con los ASIC. Para aplicaciones con ciclos de vida más largos y mayores volúmenes, a veces es más apropiado convertir el diseño en un chip específico de ASIC. ”
En términos de las ventajas de ASIC, Reed señaló que ASIC puede ejecutarse inmediatamente después del encendido, tiene más opciones de empaquetado en términos de tamaño de lógica unitaria y, por el contrario, también puede incluir algo de lógica analógica. , FPGA Cargar la configuración en la memoria lleva tiempo, por lo que no puede funcionar de inmediato.
Factores de costo/riesgo
Nallatech es un desarrollador de sistemas informáticos y software y hardware FPGA. reconoció que los ASIC alcanzan "altos niveles de rendimiento" para los tipos específicos de funciones y aplicaciones especializadas para las que están diseñados, sin embargo, el ingeniero de aplicaciones de sistemas de Nallatech, Craig Sanderson, señaló que si los ASIC se utilizan para implementar funciones de procesamiento de alto rendimiento, como la simulación industrial. , modelado o imágenes), habrá un "impacto comercial"
Figura 2: Los FPGA se utilizan con éxito en productos industriales, como los sistemas de control y adquisición reconfigurables CompactRIO de NI. El chip FPGA juega un papel importante. El controlador PACSystems RX3i de GE FANUC también utiliza tecnología FPGA.
Nallatech también cree que FPGA evita mayores costos de NRE y también tiene otras ventajas. La reprogramabilidad permite un camino de desarrollo más flexible, lo que reduce el riesgo y el costo. El desarrollo debe ser "correcto a la primera", mientras que la reprogramabilidad en campo de los FPGA permite a los desarrolladores implementar paquetes de actualización de software en el chip para ejecutar programas para modificar el chip, en lugar de reemplazarlo, y puede incluso actualizarse de forma remota a través de Internet. al uso de diseños de aplicaciones FPGA existentes como recursos para la recompilación de dispositivos de nueva generación.
Para muchas aplicaciones, los proveedores de FPGA dicen que el rendimiento es comparable al de los ASIC. Sanderson señaló: “Para aplicaciones de alto rendimiento, los FPGA proporcionan. Recursos suficientes para lograr funciones equivalentes a la tecnología ASIC y al mismo tiempo proporcionar un mejor rendimiento que los procesadores estándar. El rendimiento es mucho mayor.
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Debido a que los FPGA son reprogramables, las aplicaciones se pueden depurar e instrumentar en hardware real. Sanderson agregó: "En el caso de los ASIC, toda la instrumentación debe preceder a la implementación física del hardware ASIC. La simulación está en progreso. , y si el problema se descubre en la etapa de hardware, será demasiado tarde. ”
Gricha Raether, gerente de productos de E/S distribuidas y control industrial de National Instruments (NI), señala que los ASIC y FPGA se utilizaron tempranamente en aplicaciones a gran escala, como la fabricación de máquinas y la integración de tipo OEM. Esto ayuda a amortizar los costos de desarrollo tradicionalmente más altos. Él cree que la razón del mayor costo es que el ciclo de desarrollo de los dispositivos mencionados anteriormente es largo y los diseñadores necesitan dominar muchos conocimientos profesionales sobre las herramientas de desarrollo, especialmente el diseño. y la fabricación de ASIC, los pasos requieren aún más tiempo.
Los productos FPGA están bien diseñados y se pueden programar directamente. En este sentido, los FPGA reemplazarán gradualmente a los circuitos integrados reales debido a su flexibilidad personalizable. puede cobrar más El diseño de paquetes de circuitos integrados y placas de circuito impreso genera más costos, esto es cierto para ambas tecnologías, pero especialmente para los ASIC
Ciclo de vida industrial
Raether cree que FPGA también es beneficioso. para productos industriales con ciclos de vida más largos, principalmente porque la tecnología se puede reprogramar fácilmente de acuerdo con nuevas versiones y se puede reprogramar en el campo. Dijo: "El uso de la tecnología FPGA. Los diseñadores deben considerar las ampliaciones y modificaciones que puedan ser necesarias y ser. preparado al seleccionar el número de puertas FPGA. "Esto requiere un delicado equilibrio entre el número de conjuntos de puertas necesarios para implementar la función y el rendimiento logrado mediante la programación del chip, además de tener en cuenta el "espacio de almacenamiento" requerido.
Altera también cree que los FPGA son También es "muy bueno" para productos industriales con ciclos de vida más largos, aunque las ventas de dichos productos disminuirán con el tiempo: "El proceso FPGA no requiere cantidades mínimas de pedido y tiene una vida útil más larga, que es lo que lo hace posible", afirmó Greenfield. Razones importantes para ser único. Muchos clientes industriales que han utilizado diseños de productos ASIC durante cinco años ahora utilizan FPGA en lugar de ASIC. "Hay muchas razones, como que los ASIC requieren una cantidad mínima de pedido, lo cual es muy inflexible; la tecnología de proceso de los ASIC está desactualizada o debe convertirse a un empaque de chips sin plomo.
La obsolescencia gradual de La tecnología de procesos es algo a lo que los fabricantes de chips deben enfrentarse. Greenfield dijo: "Este problema es particularmente grave para las empresas de ASIC porque tienen una base de clientes muy limitada y es probable que les resulte difícil salir de las dificultades.
El papel de las herramientas de software
El desarrollo de soluciones FPGA es complejo y requiere herramientas de software adecuadas. Sanderson de Nallatech señaló que las herramientas de diseño de FPGA están mejorando constantemente, especialmente aquellas con aplicaciones avanzadas. Esto es especialmente cierto para herramientas que utilizan lenguajes o interfaces para el desarrollo de aplicaciones, como MatLab/Simulink proporcionado por Mathworks.
Dijo que los lenguajes de alto nivel son particularmente importantes para las empresas de FPGA porque este lenguaje. puede empaquetar las funciones de aplicación necesarias en uno o más dispositivos FPGA. Anteriormente, señaló Sanderson, esta funcionalidad tenía que implementarse en uno o más DSP o microprocesadores, además de algunos ASIC de función fija para implementar las conexiones. p>ASIC y FPGA son circuitos integrados (IC), pero son diferentes entre sí. Como su nombre lo indica, un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) está diseñado para cumplir con la aplicación específica de un determinado producto electrónico o serie de. Los chips de silicio cableados tienen demanda y se utilizan en una variedad de productos electrónicos de consumo y industriales.
Los conjuntos de puertas programables en campo (FPGA) son tecnologías de circuitos integrados emergentes que incluyen miles de celdas lógicas. Los interruptores se conectan para cumplir con diferentes requisitos de diseño a través de la interconexión lógica de unidades.
Además de los bloques lógicos, otros elementos programables de una FPGA son bloques de E/S (que sirven como interfaces entre líneas individuales internas y pines externos al chip) e interfaces de interconexión (que enrutan señales de E/S desde otros componentes a las redes apropiadas). ). La funcionalidad reprogramable es la mayor ventaja de este tipo de dispositivo.
Los ASIC estructurales forman el término medio entre estos enfoques, utilizando sustratos metálicos para prefabricar elementos de diseño (celdas lógicas, memoria, E/S, etc.) específicos para muchas aplicaciones. Se pueden agregar datos específicos de la aplicación en las últimas capas de metal, lo que reduce en gran medida la cantidad de capas de máscara y reducirá el costo inicial de desarrollo.
Una de las complejidades de diseño que enfrentan los diseñadores es implementar la comunicación entre múltiples bloques funcionales en una sola FPGA. Se dice que la herramienta DimeTalk de Nallatech (actualmente sólo disponible en hardware de Nallatech) resuelve el problema del desarrollo del sistema de comunicación FPGA.
Cada tecnología de chip requiere herramientas de diseño. Xilinx señaló que debido a las características del proceso de diseño de FPGA, los usuarios de FPGA no necesitan considerar el rendimiento de fabricación y los problemas submicrónicos. Además, FPGA también tiene las ventajas de conveniencia, facilidad de uso, bajo costo y corto tiempo de fabricación. mercado. Goetting agregó: "Como productos estándar, los FPGA están completamente probados y son funcionales cuando se lanzan porque los proveedores de FPGA han resuelto los problemas de diseño físico, verificación y caracterización". Xilinx proporciona soluciones para dispositivos de procesamiento integrados, DSP y lógica. además de interfaces para herramientas de terceros.
Dependiendo del proveedor, el software para programar FPGA varía en contenido y características de valor agregado, como herramientas de compilación y edición. Raether de NI enfatiza que el dominio del uso de estas herramientas requiere años de experiencia y capacitación. "Están llegando al mercado algunas herramientas más avanzadas, pero se necesita una buena comprensión de los aspectos internos de los FPGA para utilizarlas", afirmó. VHDL (lenguaje de descripción de hardware de muy [alta velocidad]) es el lenguaje de desarrollo más utilizado. Raether dijo que el software LabView de NI puede abstraer completamente el mecanismo operativo interno del dispositivo y actualmente es el único software que logra esta función. Este software permite la programación de FPGA en controladores de automatización programables a través de un entorno de desarrollo gráfico.
Desafíos para las soluciones híbridas
Los FPGA también enfrentan desafíos. Xilinx señaló que el consumo de energía estática y las limitaciones de tamaño de los chips de alta densidad son problemas para los FPGA, porque los chips programables requieren más transistores para realizar funciones lógicas. Aunque la tecnología FPGA ha evolucionado hacia tecnologías de procesos nuevas y más pequeñas, la innovación a nivel de proceso, de circuito y de arquitectura parece estar cada vez más limitada por problemas de consumo de energía. Goetting señaló que, por ejemplo, Xilinx ha reducido a la mitad el consumo de energía de sus productos de la serie Virtex-4 de 90 nm en comparación con sus procesadores de 130 nm mediante el uso de tecnología trióxido y funciones de plataforma integradas.
Raether de National Instruments señaló que el desarrollo de FPGA también enfrenta problemas como el tiempo de desarrollo, la compatibilidad con las especificaciones de la industria y la asignación de recursos de desarrollo apropiados en el diseño de placas de circuitos y paquetes. Dispositivos como NI CompactRIO (ver foto) integran una FPGA para ayudar en el desarrollo de productos.
Reed de GE Fanuc está interesado en componentes de productos estándar de aplicación específica (ASSP), que se derivan de diferentes diseños ASIC tradicionales. GE Fanuc utiliza núcleos IP (propiedad intelectual) disponibles para FPGA para mejorar su eficiencia. Los fabricantes utilizan la misma tecnología para lanzar muchas versiones modificadas de componentes estándar para adaptarse a muchos segmentos de mercado más pequeños. Reed concluyó: “Podemos lanzar procesadores integrados que combinen y combinen mejor las funciones que necesitamos, y no tenemos que pagar por las funciones que no necesitamos porque los núcleos IP son reutilizables y podemos mezclarlos y combinarlos rápidamente. , convertidos en componentes estándar.
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Lo que estamos tratando de resolver actualmente es la disputa entre “Circuitos integrados de aplicaciones específicas” y “Dispositivos programables”. Esperemos y veamos si la solución final es la tecnología de chip híbrido.
Consulte también:
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