Flash FPGA、ASIC、SRAM FPGA你選擇誰？

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

近年來，F(xiàn)PGA器件的應用領域在不斷擴大。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行快速編程，并且可以在設計迭代中進行重復編程，因此它們迅速成為電子系統(tǒng)設計領域的中流砥柱。
---但是，F(xiàn)PGA在量產(chǎn)類產(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，他們通常會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，ASIC具有單位成本低、性能高、功耗低等顯著優(yōu)勢。但是，隨著ASIC廠家采用昂貴的深亞微米工藝技術，NRE（non-recurring expenses，不可逆費用）迅速增大，ASIC的傳統(tǒng)成本優(yōu)勢開始逐漸減弱。
---今 天，通過采用最新的半導體工藝和新式架構，F(xiàn)PGA不僅在單位成本上與傳統(tǒng)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(tǒng)優(yōu)勢領域具有同等的甚至更好的表現(xiàn)。隨著這些新型器件的出現(xiàn)，一個以價格為基礎的FPGA市場正在逐步形成，并大有取代 ASIC之勢，尤其是在消費電子、汽車電子等對價格敏感的應用領域。
---許多FPGA廠商都試圖以低成本器件在這個充滿商機的市場中一試高下。但是我們必須注意到：某些FPGA技術并不具備上述各種類似ASIC的性能，甚至會產(chǎn)生額外的成本。這些額外的成本必須納入系統(tǒng)的總成本之中。
---兩種技術方案的對比
---在 這場“價格”大戰(zhàn)中，F(xiàn)PGA廠商可以提供兩種主要的FPGA技術：Flash和SRAM。表面上看來，這兩種FPGA技術具有 相似的特性和性能：都可以進行在系統(tǒng)編程，都具有較高的性能，系統(tǒng)門的密度都可達1M以上。但實際上，這兩種技術具有很大的差異。
---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編程單元來控制FPGA內部的開關邏輯門。
---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單元進行開關控制，并且其開關本身還要占用一個傳輸門。在系統(tǒng)每次 加電時，我們必須從某個外部器件中加載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(jié)約了成本。
---從系統(tǒng)安全的角度來看，基于Flash的FPGA具有更高的安全性，硬件出錯的幾率更小，并能夠通過公共網(wǎng)絡實現(xiàn)安全性遠程升級，經(jīng)過現(xiàn)場處理即可實現(xiàn)產(chǎn)品的升級換代。這種性能減少了現(xiàn)場解決問題所需的昂貴開銷。
---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電子應用中實現(xiàn)授權技術。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(tǒng)實現(xiàn)機頂盒設備的串行化。
---可重編程的NVM模塊在90nm邏輯SRAM工藝下是無法實現(xiàn)的，并且所有的SRAM FPGA廠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(zhàn)性。
---此外，可重編程的NVM在編程時需要一定的電壓，因此SRAM用戶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(guī)模器件（30 000門）的起價僅為1.50美元（250 000個）。
---Flash 器件（例如Actel的ProASIC3/E）的工作頻率可達350MHz，利用率超過95%，而SRAM FPGA一般能夠達到的利用率僅為70%到75%。Flash FPGA在加電時沒有像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)功耗和動態(tài)功耗。
---例如，一塊40萬門的基于 Flash的FPGA需要20mA的靜態(tài)電流，然而同等規(guī)模的基于SRAM的FPGA所需的電流達5倍之多。SRAM FPGA的功耗問題往往迫使系統(tǒng)設計者不得不增大系統(tǒng)供電電流，并使得整個設計變得更加復雜。Flash FPGA的功耗特性與ASIC和ASSP十分類似，減少了對電源供電的需求。

單片成本與系統(tǒng)成本的對比
---要想立足于瞬息萬變的市場，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，同時還要具有像傳統(tǒng)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 為價格市場中的一個范例，如表2所示。Actel公司推出的基于Flash的FPGA ProASIC3 在30 000門集成度下的售價僅為1.5美元（250 000個），其4倍集成度的器件價格也不超過5美元（500 000個）。而基于SRAM的FPGA在10美元以內只能提供2～3倍的器件密度，同等單片器件的價格達到了與ASIC價格相近的5美元左右。
---在增大了系統(tǒng)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或微控制器來加載SRAM FPGA配置數(shù)據(jù)之外，設計者通常還必須采用SRAM斷電檢測設備來確保系統(tǒng)的可靠性。
---在 最新的90nm工藝下制造的基于SRAM的FPGA還必須滿足嚴格的加電規(guī)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 用外部的時鐘分布設備來處理系統(tǒng)的時鐘管理任務，因為SRAM FPGA的加電配置延遲使其內部的PLL/DLL電路無法完成時鐘管理任務。
---采用Flash器件進行設計時只需要一種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(tǒng)的額外開銷有可能超過芯片的單片價格，更不用說還要耗費可靠性維護、庫存管理和設計負責性等軟件開銷了。