论ASIC与FPGA之争
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总之，PLD芯片的成本已越来越低而功能变得很强大，这里所 说的低端产品，实际上已经达到几年前的高端产品的水平，甚至已 经可以和ASCI芯片相互竞争，随着相关技术的改进和规模化生产 程度的提高，FPGA芯片的价格还有下调的空间。对于广大ASIC 设 计者来说，如果过去只是把FPGA作为一个验证和快速原型工具， 那末现在应当考虑直接用FPGA设计ASIC。另外Altera的FPGA提供 了一个更能降低成本的技术。客户的FPGA的设计可以利用Altera的 HardCopy方 案 ， 为 客 户FPGA 设 计 创 建 硬 件 实 现 。 这 样 ， Altera 提 供的这些部件的成本可以降低大约70%，并没有实现和封装的问 题。
收稿日期：2004-01-12 E-mail：hjg@
部器件速率，片间的I/O数率达到225 MHz。多达82 944 b的双口 RAM，45 个时钟控制网络，4个PLL, 多种I/O 协议。Quicklogic 提 供32和64位的PCI 接口，并且提供一个含有MIPS32 core和高速DSP 产品系列。
(3) FPGA产品的支持软件的发展
Altera最新的FPGA设计支持软件是Quartus II 。它提供了一个 设计平台，其中包括嵌入式软件、数字信号处理、板级分析和综合
工具。设计者可以利用基于总线的各个部件如处理器、外设控制 器、甚至设备驱动程序和操作系统内核。Altera的DSP Builder 把 Matlab 和Simulink等同算法开发、模拟和验证结合起来。用户可以 利用信号处理工具箱和滤波器设计工具箱设计算法，然后用
FPGA是一种可编程器件(PLD)。简单可编程器件(SPLD 或 PAL)是在20年前出现的。2003年IC市场约为1 318亿美 元，2002年ASIC销售额约增至138亿美元，而2002 年 PLD 市场的销售额大约为 23 亿美元。2002 年，FPGA 的销售额 为 18 亿美元。复杂的可编程逻辑器件(CPLD)目前占有PLD 的35%的市场，FPGA占据PLD市场的53%。有人预计PLD市 场在系统级可编程芯片(SOPC)技术的推动下，在几年内的 市场将会有10倍的增长。
1 FPGA的发展
1.1FPGA的分类 按照制造技术，FPGA一般分为以下几类：
(1)反熔丝型 FPGA。控制布线结构用反熔丝进行一次性配置。 当下电后仍然保持配置，而不需要外部配置存储器。但是由于工艺 问题很难做到百万门规模，配置时间长达几分钟。小批量可以代替 ASIC。
(2) Flash FPGA，可以配置几千次，不挥发，在几秒内完成现 场升级，但是价格较贵。
(3) SRAM FPGA是当前最主流的技术，可以无限次配置，利用 片内的锁存器存储配置编码，但加电后需要辅助电路。一般的每个 逻辑单元具有多个二值输入，输出1-2个逻辑函数，这些逻辑函数 的物理实现可能利用小规模的查找表(LUT)存储器或者多路器和逻 辑门。
—10—
存储器的输出再控制传输晶体管实现连接。LUT比较灵 活，输入比较多，但是传输延迟较大。配置时间一般为毫秒 级，可以用于可重配置计算，以适应新的协议的变化。 1.2 FPGA产品的最新的发展
(2) PGA低端产品的发展
在 低 端 产 品 方 面 ， Xilinx公 司 的 Spartan 系 列 产 品 的 密 度 从 5 000到30万系统门。其价格从2.55美元起，适合低成本、大批 量生产的应用。最新的Spartan-IIE 系列支持多达19种 I/O标准，包 括LVDS和LVPECL，片上时钟和分布式RAM，以及用于片级和板 级时钟管理的4个数字延迟锁相环。为快速设计低成本的下一代消 费类数字化的集成产品提供了芯片、开发工具和IP核。
级定时分析。Quartus II对高速的信号的完整性分析和电磁效应分 析、功耗分析和优化等都提供支持。
ISE Foundation 是Xilinx的EDA软件包，提供设计输入、综合、 实现和验证以及板级集成。除电路图外还支持状态机产生、IP核 和 DSP设计。还包括定时分析器，约束编辑器，另外还有支持模块设 计、增量设计、团队设计管理能力等，也支持第三方工具的集成。 该公司最新的集成软件环境(ISE)软件ISE 5.2i版和 ChipScope Pro 5.2i版比最接近的竞争产品性能提高20%，逻辑利用率提高15%，设 计成本降低50%。此外，新的可提供ASIC能力的设计工具可帮助工
近年来，各个厂家普遍采用0.25、0.13和0.09μm CMOS 工艺，继续向高密度、大容量发展。FPGA的规模发展到 100万门～1 000万门的水平。 I/O接口采用模拟电路达到1～ 10Gbps的接口数据传输数率，片内时钟频率可以达到200 ～ 400MHz。由于低端产品在工艺和结构上创新，性能的提高 和价格的降低都是令人惊叹的。
(1) PGA高端产品的发展
Xilinx和Altera目前是世界上两个最大的PLD供应商。Xilinx 的 Virtex-II Pro 是 一 个 标 志 性 高 端 产 品 系 列 ， 它 提 供 4 个 PowerPC RISC 核 ， 每 个 核 在 400 MHz 时 运 算 能 力 为 600MIPS ， 并 支 持 IBM CoreConnect 片 内 总 线 结 构 。 在 I/O 接 口 方 面 ， 提 供 16 收 发 器(transceiver)模块, 波特率达到3.125 Gbps, 双工数据数率为 80 Gbps, 另外还具有4 Mbits 的 DRAM, 706 kbits 的 SelectRAM 和 216个18×18-bit 的乘法器模块。
CPLD 继 承 了 PAL 的 与 或 门 结 构 ， 引 脚 之 间 的 延 迟 很 小。它们很适合设计编码器、同步状态机以及计数器，其设 计软件非常简单，编译速度很快。但是由于结构的原因， CPLD在规模上受到限制。CPLD只提供很少的触发器，不 能扩展为大规模的阵列，而且一般的功耗很大。 FPGA 是 一种包含很多相同的逻辑单元的集成电路,在结构上和 ASIC 相似,具有很多触发器和分布的布线资源。逻辑单元通过连 线阵列和可编程开关实现互联。用户在设计时规定逻辑单元 实现的逻辑函数，并且选择性地接通互连阵列的连线，从而 实现自己的简单设计，结合这些简单的设计就能实现复杂的 设计。不同的产品系列的逻辑单元的结构很不相同。FPGA 设计软件能自动地对用户输入的电路图，或硬件描述语言程 序进行翻译，然后进行布局布线。利用设计库里大量的复杂 的宏函数可以帮助用户优化设计。
Actel 推出了 ProASIC Plus 系列产品，采用0.22μm flash工 艺 ， 支持100万门和198kb的SRAM ，分为88 个块，每块256×9B。 由 第三方支持的IP包括总线、通信协议、微处理器、微控器和外设控 制器。
可见，高端的FPGA产品包含微处理器核、内嵌存储器和大规 模的逻辑阵列、外部设备的接口以及面向各种应用的IP核，甚至把 模拟电路的核也包含进来。在几年前，上述的功能只能用ASIC 实 现。现在，FPGA已经可以提供比较完整的平台。各个领域的设计 工程师可以根据需求的变化，利用这些设计平台不断更新和改进自 己的终端产品。
Altera的高端产品Stratix系列采用1.5V, 0.13μm 全铜工艺，在单 个芯片上提供多达114 140逻辑元件，具有10 Mb的嵌入式存储器。 优化的DSP 模块和高性能的I/O模块。Stratix GX 系列器件内含4到 20个 高 速 收 发 器 通 道 ， 每 一 个 通 道 都 内 含 有 “ 时 钟 数 据 恢 复 ” (CDR)部件和3.125Gbps并-串/串-并转换器(SERDES)。
(西安邮电学院计算机系，西安 710061) 摘 要：论述现场可编程门阵列（FPGA）产品的发展情况和对于专用集成电路（ASIC）的影响。介绍了目前国际上对FPGA和ASIC的竞争 问题的讨论，同时对ASIC和FPGA进行了简单的比较，并对FPGA的新的应用领域作了介绍。最后提出发展我国FPGA产业的建议。 关键词： 现场可编程门阵列；专用集成电路；可编程系统芯片
Racing of ASIC VComputer, Xi'an Institute of Posts and telecommunications，Xi'an 710061) 【 Abstract】 This paper discusses the development of FPGA products , the effect on ASICs,and the racing of FPGAs versus ASICs. The paper also
Quicklogic的 Eclipse 系列提供系统级的功能包括600 MHz的内
基 金 项 目 ： 国 家 “ 十 五 ” 攻 关 项 目 （ 2002BA106B） ； 国 家 自 然 科 学基金资助项目（90207015） 作者简介：韩俊刚(1943－)，男，教授、博导，主要研究领域 :VLSI 设计和验证
第30卷 第8期 Vol.30 № 8
计 算 机 工 程 Computer Engineering
2004年4月 April 2004
·发展趋势/热点技术·
文章编号： 1000— 3428(2004)08 —0010— 03 文献标识码：A
中 图 分 类 号 ：TN47
论ASIC与FPGA之争
韩俊刚
Altera推 出 的 最 新 低 端 产 品 Cyclone 宣 称 可 以 和 业 界 最 快 的 FPGA相匹敌。它的可编程结构是专门为低价位设计的，包含内嵌 存储器和各种外部存储器接口、串行口、总线接口、网络接口、多 种通信协议、用于定时内嵌PLL，单端和差分I/O接口Nios嵌入式处 理器。并且提供软件工具QuartusII 的支持。
程师快速容易地实现时序分析，从而降低总体设计成本以及设计周
期。用户可以利用增强千兆位级串行I/O收发器和成本优化的90nm FPGA进行设计。
显然，上述工具为用户提供了设计自己的产品的完整方 案。特别是各种IP核的能力为设计SOC提供了支持。
Simulink模拟。 DSP Builder中的SignalCompiler 读入 Simulink 模型 文件产生VHDL 文件和综合脚本，直至硬件实现。和多数PLD厂商 一样，Altera 并不销售自己的综合和验证工具，他们利用OEM方式 把 软 件 打 包 提 供 给 用 户 。 例 如 Altera用 Mentor Graphics 提 供 的 ModelSim模拟工具和LeonardoSpectrum综合工具。在Quartus II中， 设计者利用 Excalibur 处理器用软件方式进行协同设计，可以利用 的工具包括 C/C++ 编译器、调试器和各种实用程序。Quartus II 还 包含片级定时分析，利用输出的标准格式文件和第三方软件进行板
summarizs the new applications of FPGA and presents some suggestions about developing the FPGA industry in China. 【Key words】FPGA; Application-specific integrated circuit(ASIC); SOPC
2003年4月Xilinx宣布与IBM和 UMC间成功的合作， 推动最先 进的90 nm芯片制造工艺和300mm 硅片技术，可以将100万门FPGA (约17 000个逻辑单元)的价格降到25美元以下。在一些特定的领 域，FPGA芯片正将传统的微处理器挤出市场。目前FPGA芯片也已 经应用到手机和数码相机等产品上面。Xilinx公司1996年时一块要 价在1 000美元左右的FPGA芯片现在的价格还不到10美元。
收稿日期：2004-01-12 E-mail：hjg@
部器件速率，片间的I/O数率达到225 MHz。多达82 944 b的双口 RAM，45 个时钟控制网络，4个PLL, 多种I/O 协议。Quicklogic 提 供32和64位的PCI 接口，并且提供一个含有MIPS32 core和高速DSP 产品系列。
(3) FPGA产品的支持软件的发展
Altera最新的FPGA设计支持软件是Quartus II 。它提供了一个 设计平台，其中包括嵌入式软件、数字信号处理、板级分析和综合
工具。设计者可以利用基于总线的各个部件如处理器、外设控制 器、甚至设备驱动程序和操作系统内核。Altera的DSP Builder 把 Matlab 和Simulink等同算法开发、模拟和验证结合起来。用户可以 利用信号处理工具箱和滤波器设计工具箱设计算法，然后用
FPGA是一种可编程器件(PLD)。简单可编程器件(SPLD 或 PAL)是在20年前出现的。2003年IC市场约为1 318亿美 元，2002年ASIC销售额约增至138亿美元，而2002 年 PLD 市场的销售额大约为 23 亿美元。2002 年，FPGA 的销售额 为 18 亿美元。复杂的可编程逻辑器件(CPLD)目前占有PLD 的35%的市场，FPGA占据PLD市场的53%。有人预计PLD市 场在系统级可编程芯片(SOPC)技术的推动下，在几年内的 市场将会有10倍的增长。
1 FPGA的发展
1.1FPGA的分类 按照制造技术，FPGA一般分为以下几类：
(1)反熔丝型 FPGA。控制布线结构用反熔丝进行一次性配置。 当下电后仍然保持配置，而不需要外部配置存储器。但是由于工艺 问题很难做到百万门规模，配置时间长达几分钟。小批量可以代替 ASIC。
(2) Flash FPGA，可以配置几千次，不挥发，在几秒内完成现 场升级，但是价格较贵。
(3) SRAM FPGA是当前最主流的技术，可以无限次配置，利用 片内的锁存器存储配置编码，但加电后需要辅助电路。一般的每个 逻辑单元具有多个二值输入，输出1-2个逻辑函数，这些逻辑函数 的物理实现可能利用小规模的查找表(LUT)存储器或者多路器和逻 辑门。
—10—
存储器的输出再控制传输晶体管实现连接。LUT比较灵 活，输入比较多，但是传输延迟较大。配置时间一般为毫秒 级，可以用于可重配置计算，以适应新的协议的变化。 1.2 FPGA产品的最新的发展
(2) PGA低端产品的发展
在 低 端 产 品 方 面 ， Xilinx公 司 的 Spartan 系 列 产 品 的 密 度 从 5 000到30万系统门。其价格从2.55美元起，适合低成本、大批 量生产的应用。最新的Spartan-IIE 系列支持多达19种 I/O标准，包 括LVDS和LVPECL，片上时钟和分布式RAM，以及用于片级和板 级时钟管理的4个数字延迟锁相环。为快速设计低成本的下一代消 费类数字化的集成产品提供了芯片、开发工具和IP核。
级定时分析。Quartus II对高速的信号的完整性分析和电磁效应分 析、功耗分析和优化等都提供支持。
ISE Foundation 是Xilinx的EDA软件包，提供设计输入、综合、 实现和验证以及板级集成。除电路图外还支持状态机产生、IP核 和 DSP设计。还包括定时分析器，约束编辑器，另外还有支持模块设 计、增量设计、团队设计管理能力等，也支持第三方工具的集成。 该公司最新的集成软件环境(ISE)软件ISE 5.2i版和 ChipScope Pro 5.2i版比最接近的竞争产品性能提高20%，逻辑利用率提高15%，设 计成本降低50%。此外，新的可提供ASIC能力的设计工具可帮助工
近年来，各个厂家普遍采用0.25、0.13和0.09μm CMOS 工艺，继续向高密度、大容量发展。FPGA的规模发展到 100万门～1 000万门的水平。 I/O接口采用模拟电路达到1～ 10Gbps的接口数据传输数率，片内时钟频率可以达到200 ～ 400MHz。由于低端产品在工艺和结构上创新，性能的提高 和价格的降低都是令人惊叹的。
(1) PGA高端产品的发展
Xilinx和Altera目前是世界上两个最大的PLD供应商。Xilinx 的 Virtex-II Pro 是 一 个 标 志 性 高 端 产 品 系 列 ， 它 提 供 4 个 PowerPC RISC 核 ， 每 个 核 在 400 MHz 时 运 算 能 力 为 600MIPS ， 并 支 持 IBM CoreConnect 片 内 总 线 结 构 。 在 I/O 接 口 方 面 ， 提 供 16 收 发 器(transceiver)模块, 波特率达到3.125 Gbps, 双工数据数率为 80 Gbps, 另外还具有4 Mbits 的 DRAM, 706 kbits 的 SelectRAM 和 216个18×18-bit 的乘法器模块。
CPLD 继 承 了 PAL 的 与 或 门 结 构 ， 引 脚 之 间 的 延 迟 很 小。它们很适合设计编码器、同步状态机以及计数器，其设 计软件非常简单，编译速度很快。但是由于结构的原因， CPLD在规模上受到限制。CPLD只提供很少的触发器，不 能扩展为大规模的阵列，而且一般的功耗很大。 FPGA 是 一种包含很多相同的逻辑单元的集成电路,在结构上和 ASIC 相似,具有很多触发器和分布的布线资源。逻辑单元通过连 线阵列和可编程开关实现互联。用户在设计时规定逻辑单元 实现的逻辑函数，并且选择性地接通互连阵列的连线，从而 实现自己的简单设计，结合这些简单的设计就能实现复杂的 设计。不同的产品系列的逻辑单元的结构很不相同。FPGA 设计软件能自动地对用户输入的电路图，或硬件描述语言程 序进行翻译，然后进行布局布线。利用设计库里大量的复杂 的宏函数可以帮助用户优化设计。
Actel 推出了 ProASIC Plus 系列产品，采用0.22μm flash工 艺 ， 支持100万门和198kb的SRAM ，分为88 个块，每块256×9B。 由 第三方支持的IP包括总线、通信协议、微处理器、微控器和外设控 制器。
可见，高端的FPGA产品包含微处理器核、内嵌存储器和大规 模的逻辑阵列、外部设备的接口以及面向各种应用的IP核，甚至把 模拟电路的核也包含进来。在几年前，上述的功能只能用ASIC 实 现。现在，FPGA已经可以提供比较完整的平台。各个领域的设计 工程师可以根据需求的变化，利用这些设计平台不断更新和改进自 己的终端产品。
Altera的高端产品Stratix系列采用1.5V, 0.13μm 全铜工艺，在单 个芯片上提供多达114 140逻辑元件，具有10 Mb的嵌入式存储器。 优化的DSP 模块和高性能的I/O模块。Stratix GX 系列器件内含4到 20个 高 速 收 发 器 通 道 ， 每 一 个 通 道 都 内 含 有 “ 时 钟 数 据 恢 复 ” (CDR)部件和3.125Gbps并-串/串-并转换器(SERDES)。
(西安邮电学院计算机系，西安 710061) 摘 要：论述现场可编程门阵列（FPGA）产品的发展情况和对于专用集成电路（ASIC）的影响。介绍了目前国际上对FPGA和ASIC的竞争 问题的讨论，同时对ASIC和FPGA进行了简单的比较，并对FPGA的新的应用领域作了介绍。最后提出发展我国FPGA产业的建议。 关键词： 现场可编程门阵列；专用集成电路；可编程系统芯片
Racing of ASIC VComputer, Xi'an Institute of Posts and telecommunications，Xi'an 710061) 【 Abstract】 This paper discusses the development of FPGA products , the effect on ASICs,and the racing of FPGAs versus ASICs. The paper also
Quicklogic的 Eclipse 系列提供系统级的功能包括600 MHz的内
基 金 项 目 ： 国 家 “ 十 五 ” 攻 关 项 目 （ 2002BA106B） ； 国 家 自 然 科 学基金资助项目（90207015） 作者简介：韩俊刚(1943－)，男，教授、博导，主要研究领域 :VLSI 设计和验证
第30卷 第8期 Vol.30 № 8
计 算 机 工 程 Computer Engineering
2004年4月 April 2004
·发展趋势/热点技术·
文章编号： 1000— 3428(2004)08 —0010— 03 文献标识码：A
中 图 分 类 号 ：TN47
论ASIC与FPGA之争
韩俊刚
Altera推 出 的 最 新 低 端 产 品 Cyclone 宣 称 可 以 和 业 界 最 快 的 FPGA相匹敌。它的可编程结构是专门为低价位设计的，包含内嵌 存储器和各种外部存储器接口、串行口、总线接口、网络接口、多 种通信协议、用于定时内嵌PLL，单端和差分I/O接口Nios嵌入式处 理器。并且提供软件工具QuartusII 的支持。
程师快速容易地实现时序分析，从而降低总体设计成本以及设计周
期。用户可以利用增强千兆位级串行I/O收发器和成本优化的90nm FPGA进行设计。
显然，上述工具为用户提供了设计自己的产品的完整方 案。特别是各种IP核的能力为设计SOC提供了支持。
Simulink模拟。 DSP Builder中的SignalCompiler 读入 Simulink 模型 文件产生VHDL 文件和综合脚本，直至硬件实现。和多数PLD厂商 一样，Altera 并不销售自己的综合和验证工具，他们利用OEM方式 把 软 件 打 包 提 供 给 用 户 。 例 如 Altera用 Mentor Graphics 提 供 的 ModelSim模拟工具和LeonardoSpectrum综合工具。在Quartus II中， 设计者利用 Excalibur 处理器用软件方式进行协同设计，可以利用 的工具包括 C/C++ 编译器、调试器和各种实用程序。Quartus II 还 包含片级定时分析，利用输出的标准格式文件和第三方软件进行板
summarizs the new applications of FPGA and presents some suggestions about developing the FPGA industry in China. 【Key words】FPGA; Application-specific integrated circuit(ASIC); SOPC
2003年4月Xilinx宣布与IBM和 UMC间成功的合作， 推动最先 进的90 nm芯片制造工艺和300mm 硅片技术，可以将100万门FPGA (约17 000个逻辑单元)的价格降到25美元以下。在一些特定的领 域，FPGA芯片正将传统的微处理器挤出市场。目前FPGA芯片也已 经应用到手机和数码相机等产品上面。Xilinx公司1996年时一块要 价在1 000美元左右的FPGA芯片现在的价格还不到10美元。