Comprendere le principali differenze tra ASIC e FPGA

Introduzione

Come vive nella terra di circuito integrato cambiamenti tecnologici, comprendere la distinzione tra ASIC e FPGA (Application Specific Integrated Circuit e Field Programmable Gate Array) diventa essenziale per prendere le giuste decisioni di progettazione. Ci sono vantaggi e vincoli unici in termini di prestazioni, costi e flessibilità di ciascuna tecnologia che guidano la loro applicazione in tutti i settori. In questo articolo, esploriamo le caratteristiche chiave, i vantaggi e i casi d'uso che sfrutterebbero al meglio gli ASIC e FPGA nel tuo prossimo progetto.

Cosa sono gli ASIC?

Sono specializzati semiconduttore dispositivi utilizzati per compiti speciali. Invece di svolgere un solo lavoro, svolgono più funzioni. A differenza dei soliti processori per uso generale come le CPU o GPU, gli ASIC offrono prestazioni migliori. Usano meno energia e lavorano più velocemente. Ciò li rende ottimi per volume alto prodotti come smartphone o routerL'efficienza del dispositivo e le esigenze di spazio vengono notevolmente ridotte grazie all'uso di ASIC.

Ecco i tipi di ASIC:

• Completamente personalizzato – Questi sono progettati interamente da zero. Controlli ogni dettaglio, il che offre le migliori prestazioni ed efficienza energetica. Ideali per attività ottimizzate esatte.
• Semi-personalizzato – Utilizza blocchi pre-progettati o core IP. Questi blocchi sono personalizzabili. Fanno risparmiare tempo e denaro rispetto ai progetti completamente personalizzati. Sebbene non siano potenti come altri.
• Matrice di porte – Hanno il livello più basso di personalizzazione. Iniziano con strati di silicio standard e si modificano solo le loro connessioni. Sono facili da produrre ma ne limitano la funzionalità. Si possono trovare applicazioni più semplici.
• Cella standard – Offre più personalizzazione rispetto ai gate array. Sono costruiti da blocchi di libreria pre-costruiti, che puoi adattare. Puoi personalizzare i livelli di maschera per creare le funzioni di cui hai bisogno.

Cosa sono gli FPGA?

Sono dispositivi semiconduttori che puoi riprogrammare a tuo piacimento. Gli FPGA sono diversi dagli ASIC, dove gli ASIC sono impostati per svolgere un lavoro, mentre gli FPGA possono cambiare ciò che stanno facendo a seconda delle necessità. La parte più fantastica di questo è che puoi testare e adattare rapidamente i progetti. Gli FPGA hanno blocchi di circuiti personalizzati che puoi progettare. Per logiche semplici, sistemi o sistemi di elaborazione complessi puoi progettare qualsiasi cosa tu voglia. Alcuni sono programmabili e questi blocchi si collegano tramite percorsi per formare grandi circuiti.

Ecco i tipi di FPGA:

• Simmetrico – Hanno righe e colonne di blocchi logici. Ogni blocco si collega agli altri per un uso flessibile. I blocchi di input/output circondano queste righe, aggiungendo funzionalità. Questo disposizione è ideale per design semplici ed equilibrati.
• Basato su riga – Si tratta di file alternate di blocchi logici e interconnessioni. I blocchi di input/output allineano i bordi dell'FPGA. Questa struttura è efficiente per circuiti semplici e organizzati. Si ottiene un layout affidabile per i circuiti di base digitale funzioni.
• PLD gerarchici – Avere un layout a strati con blocchi logici e interconnessioni. Ogni blocco contiene elementi funzionali, consentendo design complessi. Questo layout funziona bene per progetti con funzioni sia semplici che avanzate.
• Basato su SRAM – La RAM statica viene utilizzata per contenere le configurazioni per questi. Ogni volta che vengono spenti, perdono dati e richiedono una riconfigurazione. Ma questi richiedono memoria esterna e sono ideali per progetti riprogrammabili.
• Basato su Flash – Utilizza una memoria flash non volatile per memorizzare le impostazioni. Mantengono le loro configurazioni senza alimentazione, il che elimina la necessità di una memoria esterna. Tuttavia, è possibile riprogrammarle solo un numero limitato di volte.
• Basato su antifusibile – Questi sono FPGA che sono programmato solo una volta. Mantengono la loro configurazione anche quando sono spenti. Ciò li rende perfetti per applicazioni stabili e immutabili.

Pro e contro di ASIC vs FPGA

ASIC (circuito integrato specifico per l'applicazione)

Processo di progettazione

Ecco i passaggi principali nel processo di progettazione ASIC. La fase di specifica inizia con la definizione dei requisiti di sistema. Copre le funzionalità previste, le prestazioni e il limite di potenza. La fase successiva è la fase di progettazione che traduce questi requisiti in un layout funzionante. È inoltre ottimizzata per area, potenza e prestazioni. In seguito c'è una fase di verifica che verifica se la progettazione funziona come previsto. Infine, testiamo per assicurarci che il nostro chip finale soddisfi tutti i nostri requisiti. Una cosa importante da fare, in tutto questo, è valutare se vale la pena investire nella costruzione di un ASIC. Uno studio di fattibilità viene utilizzato per confermare che la progettazione è possibile e conveniente.

Vantaggi

• Prestazioni più veloci

Per un compito specifico, gli ASIC sono costruiti per aumentare le prestazioni. Sono molto più veloci dei normali processori come le CPU. E ottengono la massima velocità ed efficienza tramite design su misura. Ciò li rende perfetti per applicazioni ad alta richiesta.

• Energy Efficient

Sono personalizzati, quindi consumano meno energia. Eliminano componenti altrimenti non necessari, risparmiando così energia. È importante in batteria dispositivi alimentati come gli smartphone. Utilizzi meno energia, ma ottieni maggiori prestazioni.

• Design compatto

Poiché i processori generali sono più grandi, gli ASIC possono essere resi più piccoli. Il vantaggio di questo è che sono belli e piccoli e si adattano bene a spazi ristretti in piccoli PCB. In dimensioni più piccole, significa meno calore e un migliore raffreddamento. Perfetto per l'uso in movimento o incorporato in sistemi su chip.

• Progettazione della sicurezza

I chip standard non offrono una protezione altrettanto buona per i tuoi progetti come gli ASIC personalizzati. Evitano il reverse engineering costruendo cose specifiche nell'hardware stesso. Mantiene la tua proprietà intellettuale protetta e al sicuro.

• Conveniente per la produzione su larga scala

Inizialmente possono essere costosi, ma gli ASIC diventano sempre meno costosi nel tempo. Più ci si avvicina al punto di pareggio, più ogni unità diventa economica. Sono anche economici per la produzione ad alto volume.

• Molteplici funzionalità in un unico dispositivo

Gli ASIC includono una serie di funzioni all'interno di un chip. Semplificano la progettazione e riducono le parti extra necessarie. Riducono i costi, semplificano il sistema e forniscono una maggiore affidabilità del sistema.

Svantaggi

• Costi iniziali elevati

Costruire ASIC è molto costoso all'inizio. Richiede strumenti che costano soldi, assistenza ingegneristica e devi impostare la produzione. Questo costo potrebbe essere troppo alto per le piccole aziende. Per progetti con un budget limitato, non è l'ideale.

• Lungo processo di sviluppo

Costruire un ASIC richiede parecchio tempo. Possono volerci mesi o addirittura anni per progettarlo. Tale ritardo potrebbe non essere positivo per i settori che richiedono rilasci rapidi di prodotti.

• Flessibilità limitata

Una volta creato un ASIC, non puoi cambiarlo. Avrai bisogno di un nuovo design se le tue esigenze cambiano in seguito. Gli ASIC sono meno adattabili rispetto ai requisiti in evoluzione. Non è una soluzione flessibile, è una soluzione fissa.

• Rischio di diventare obsoleti

Se la tecnologia si muove così rapidamente, gli ASIC possono diventare obsoleti in fretta. A volte investi in un design e poi diventa irrilevante. Questo può essere molto rischioso, poiché nel caso peggiore, ciò in cui potresti investire perde solo valore prima ancora di arrivare sul mercato.

• Design complicato

È necessaria molta competenza. È difficile e richiede conoscenze specialistiche. Ma se i tuoi sviluppatori non hanno questa competenza, può essere difficile creare una soluzione personalizzata. Per molti, il processo di progettazione può essere un ostacolo.

• Sfide di produzione e affidabilità

Costruire ASIC è un processo delicato e preciso. Difetti o scarse prestazioni sono il risultato di problemi di fabbricazione. Il costo e i rischi del progetto sono aumentati da questi problemi. Possono sorgere problemi nella produzione con affidabilità.

FPGA (Array di gate programmabile sul campo)

Processo di progettazione

Il processo di progettazione FPGA è flessibile e consente di testare e regolare mentre si procede. Per prima cosa si definiscono i requisiti di sistema, come limiti di prestazioni e potenza. Poi si progetta digitalmente questo circuito in Codice HDL or schematico strumenti. Il codice viene tradotto in una netlist a livello di gate corrispondente alle risorse di un FPGA. Quindi, place and route assegna gli elementi logici e ottimizza la connessione. Simula il progetto per vedere se funziona come progettato. Il flusso di bit viene caricato sull'FPGA. Ora hai flessibilità e aggiornamenti facili perché puoi riprogrammarlo in seguito.

Vantaggi

• Opzioni di progettazione flessibili

L'ampia gamma di funzionalità disponibili quando si utilizza un FPGA consente di modificarle dopo la produzione. Possono essere riprogrammate per altre funzioni. Sono adatte per prototipazione, perché sono disponibili in molte dimensioni. Aggiornare il design quando vuoi è anche facile.

• Lancio del prodotto più rapido

Accelera anche la progettazione. Non dipendono da molte fasi di produzione. Questo ti aiuta a immettere i prodotti sul mercato più velocemente. Ciò significa che puoi rilasciare più velocemente e stare un passo avanti rispetto ai tuoi concorrenti.

• Costi di sviluppo iniziali inferiori

Sono stati progettati, più economici degli ASIC. Hanno un design a basso costo e Costo di produzione dei PCB. Per questo motivo rappresentano un'ottima soluzione per chi ha un budget limitato.

• Aggiornamenti facili sul campo

È riprogrammabile dopo l'installazione. Puoi aggiornarli senza dover sostituire l'hardware. Aiuta a risparmiare sui costi di manutenzione. Ma il tuo sistema rimane aggiornato più a lungo.

• Capacità di elaborare più attività contemporaneamente

Possono lavorare con molti task simultanei. Sono veloci grazie alla loro elaborazione parallela. Per task complessi come i processi di segnali e immagini, sono assolutamente fantastici.

• Facile da adattare alle nuove tecnologie

Sono flessibili per accogliere le nuove tecnologie. Possono essere programmati secondo nuovi standard. Li rendono a prova di futuro. Non dovrai sostituire i tuoi dispositivi quando arriverà la nuova tecnologia.

• Rischio ridotto di diventare obsoleti

Tutto questo non diventa obsoleto in fretta. Puoi aggiungere nuove funzionalità. Quindi questo ti consente di mantenere la tua tecnologia aggiornata più a lungo. Non c'è nulla di cui preoccuparsi per l'obsolescenza così rapida.

Svantaggi

• Prestazioni inferiori

Sono più lenti degli ASIC. Non sono focalizzati su un solo compito. Per applicazioni ad alta velocità, sono meno efficienti. I compiti impegnativi che potresti notare hanno prestazioni inferiori.

• Maggiore consumo di energia

Viene utilizzata più potenza rispetto agli ASIC. Sono meno efficienti dal punto di vista energetico a causa delle loro caratteristiche programmabili. Per i dispositivi alimentati a batteria, questo può essere un problema. Gli FPGA necessitano di più potenza di quanto si possa prevedere.

• Taglia più grande

Sono più grandi degli ASIC. Tuttavia, richiedono spazio extra per le loro parti programmabili. È un problema per gli spazi compatti. Gli FPGA potrebbero non adattarsi a dispositivi più piccoli.

• Costo per unità più elevato

Era più costoso per unità rispetto agli ASIC. Questo a causa delle risorse aggiuntive richieste per la programmabilità. Gli ASIC sono più economici per la produzione ad alto volume. Per grandi lotti, gli FPGA possono essere costosi.

• Disegno Complesso

Il suo design è complicato. Avrai bisogno di speciali capacità di programmazionee strumenti di programmazione speciali. Questo è estremamente difficile se non hai esperienza. Gli FPGA richiedono tempo e conoscenza per essere progettati.

• Risorse limitate

Hanno solo un numero limitato di blocchi logici e collegamenti bus. Ma questo può limitare le dimensioni e la complessità del tuo design. Devi usare più di uno o più grandi.

Confronto tra ASIC e FPGA

Fattori da considerare prima di scegliere tra ASIC e FPGA

Volume

Pensa al tuo volume di produzione. Se stai realizzando molte unità, gli ASIC sono solitamente più economici. Per tirature più grandi sono un buon acquisto, poiché i costi per chip sono molto più bassi. Gli FPGA sono per progetti più piccoli che necessitano di una soluzione flessibile. Pertanto, questo è uno dei fattori decisivi di cui tenere conto quando lo selezioni.

Personalizzazione e integrazione

Con gli ASIC hai un maggiore controllo di progettazione. Ciò significa che possono essere realizzati su misura esattamente come ti servono. Per applicazioni che necessitano esattamente del chip giusto, scegli gli ASIC. Tuttavia, sebbene gli FPGA siano flessibili, non sono così personalizzati.

EFFICIENZA

Poiché gli ASIC offrono una maggiore efficienza, la tendenza è a loro favore. Sono costruiti per questo scopo. Questi FPGA sono più flessibili ma meno efficienti. Ma solo se hai bisogno delle massime prestazioni, gli ASIC sono migliori.

Budget e tempi di commercializzazione

Gli ASIC sono più economici, ma in grandi quantità. Ma comportano più soldi in anticipo e più tempo. Ma all'inizio, gli FPGA sono più veloci e meno costosi da sviluppare. Se hai un budget o un lasso di tempo limitato, gli FPGA potrebbero essere migliori.

Quando utilizzare ASIC

Se hai bisogno di risparmiare sui costi a lungo termine, un ASIC è una buona scelta. Pur avendo un costo iniziale più elevato, tendono a essere più economici per grandi tirature. Quando prevedi di realizzare un bel po' di unità, gli ASIC saranno l'investimento più redditizio. Inoltre, gli ASIC sono gestiti in modo più efficiente e più performante solo per adattarsi a un'attività specifica. Lo spazio sprecato è sparito, l'energia sprecata è sparita, la funzionalità sprecata è sparita e guadagni potenza con un chip molto più personalizzato ed efficiente.

Quando utilizzare FPGA

Gli ASIC hanno molti vantaggi, ma c'è anche un momento per un FPGA. Gli FPGA sono fantastici se devi riprogrammarli di nuovo. Funzionano bene anche per costruire prototipi prima di iniziare la produzione di massa. Gli FPGA possono essere un percorso più rapido per il mercato per il time-to-market.

Domande frequenti su ASIC vs FPGA

• Perché l'FPGA non è popolare?

Il motivo per cui gli FPGA non sono così popolari è che costano di più. Ma sono costosi perché hanno bisogno di più silicio e porte logiche. Consumano anche più energia. Quindi i costi di produzione rimangono alti e Gli FPGA non sono utilizzati tanto quanto i microcontrollori. Inoltre, è necessario un programmatore esperto, il che rende il costo ancora più elevato.

• Un ASIC è una CPU?

No, un ASIC non è una CPU. Un ASIC è costruito per un compito specifico. Una CPU può fare molte cose contemporaneamente. Le CPU sono più potenti per i loro compiti, mentre gli ASIC sono più veloci per un compito. Le CPU sono di uso generale e gli ASIC sono realizzati su misura per un'applicazione specifica.

• Qual è la differenza tra flusso ASIC e FPGA?

In sostanza, è molto semplice. Un ASIC è prodotto per svolgere un compito. FPGA sta per flexible chip you can reprogram. Un ASIC è un hardware progettato su misura, mentre un FPGA è un hardware multiuso.

Conclusione

Questo PCBTok blog ha confrontato le tecnologie ASIC e FPGA e quali sono le caratteristiche uniche, i vantaggi e anche gli svantaggi di queste. Considerare fattori quali prestazioni, consumo energetico, costi e flessibilità di progettazione ti aiuterà a vedere quale opzione si adatta meglio al tuo prossimo progetto considerando le tue esigenze e i tuoi obiettivi specifici.