2015年玉溪卷烟厂招聘考试电子电气信息类岗位专业课备考(3)

（在当今的电子设备中集成电路的应用已经越来越广泛，几乎涉及到每一种电子设备中。集成电路按其实现技术可以分为2大类：可编程逻辑器件（包括CPLD和FPGA等）和专用集成电路（ASIC）。下面我们分别从这2类集成电路的特点和如何使用这2类集成电路来实现我们的设计需求来进行比较，以为我们以后的系统设计提供借鉴。
首先我们以FPGA为代表比较可编程逻辑器件和ASIC，它们最大的区别就是FPGA在不知道使用者的具体需求之前就已经按一定的配置制造好了所有的电路，使用者再根据自己的设计需要选用其中的电路来使用，而ASIC是根据使用者的设计需求来制造其中的电路。由于以上原因使得这2类集成电路具有如下特点：ASIC由厂家定制，有比较低的单片生产成本，但却有很高的设计成本以及缓慢的上市时间；FPGA则具有高度的灵活性，低廉的设计成本以及适中的器件成本和快速的面世时间。
下面我们分别简单介绍使用ASIC和FPGA实现某一设计的的步骤：
要设计并生产一颗ASIC其流程大致如下：首先是系统设计，这其中包括设计好系统的对外接口，系统内部大的模块划分，内部模块之间的接口确定，系统时钟的确定等等。然后进行进一步的详细设计，这一步包括各个大模块内部的再次模块划分，内部小模块之间的接口确定等。再下一步是进行RTL级编码，即使用硬件描述语言进行实际的电路的设计，类似于软件业的代码编写。RTL级编码完成后进行RTL级仿真，如果功能正确那么下一步利用综合工具生成网表和SDF文件然后进行前仿真，如果前仿真没有问题即可进行布局布线，布局布线完成后再次提取网表和SDF文件，利用布局布线后的网表和SDF文件进行后仿真，如果后仿真也没有问题即可进行样片的生产。样片生产完成后，将样片焊在调试电路板上与系统其它硬件和软件一起调试验证如果没有问题一片ASIC即告成功。
FPGA的设计过程和ASIC的设计过程在系统设计、详细设计和RTL级编码RTL级仿真阶段基本一样，但是经过综合生成网表后只需进行一次仿真即可，而且如果这次仿真通过即可使用烧录软件将设计输入FPGA母片中在调试电路板上进行系统级验证。
根据上面的介绍我们可以看出同一个设计使用FPGA实现比用ASIC实现可以节省一次后仿真和样片的生产2个步骤，根据不同的设计和工艺厂家这2个步骤通常需要6周或更长时间，如果需要量产那么如果使用ASIC那么第一批量产芯片还需要5周或更长时间。，但如果样片出错就至少还需要6周或更长时间，所以从产品的时间成本上来看FPGA具有比较大的优势，它大量用于生产至少可以比ASIC快3个月的时间。这一点对于新产品迅速占领市场是至关重要的。而且，如果产品需要升级或做一些比较小的调整，用FPGA实现是很方便的，只要将改动后的代码重新烧录进FPGA即可（一般设备可以保留下载口，这样甚至可以作到设备在现场的远程在线下载），但如果是ASIC产品则需要重新进行综合、前后仿真、样片生产测试和量产，这样的时间成本远大于FPGA产品，对于产品上未成熟时期或市场急需的产品这样的时间成本，和相应造成的人员成本和经济成本往往是不能接受的，而且产品在未大量现场应用时一般都会存在缺陷，如果采用ASIC设计的设备一旦出现由于ASIC的问题引发的故障则“用户很生气、后果很严重”，因为此时设备修改起来相当麻烦，您需要从新布板、从新设计、从新验证、甚至要从新化几个月的时间等待芯片厂家为您提供与现有ASIC管脚和功能以至协议完全不一样的芯片！这还不是最严重的，更要命的是可能您将好不容易攻下的市场永远的失去了他还向您索赔！呜呼哀哉！而且因为ASIC的样片制造有一次性不返还的NRE费用，根据使用的不同工艺和设计规模大小，从几万到数十万甚至上百万美金不等，造成ASIC前期价格非常高，而一旦此颗芯片从技术到市场任何一个环节出现问题，那么我们不仅不能享受到SAIC价格优势带来的好处，我们还可能为其NRE费用买单，造成使用ASIC实现的成本远高于使用FPGA实现的经济成本。当然ASIC还是尤其绝对优势的一面，比如当事实证明其ASIC相当成熟，则其最终单片成本普遍较FPGA产品低一些，而且它的一些应用也是FPGA可能永远无法实现的，比如用来实现大规模的CPU、DSP和支持多层协议的交换芯片等。还有就是为追求小面积而要求非常高的集成度，如手机芯片等。
同时我们通过以上描述容易知道ASIC的一些固有劣势恰好是FPGA产品的优势所在，比如FPGA从开发到量产的时间短、可以在不改变设备硬件的情况下在线升级、可以为大企业实现个性化设计、价格适中等，但它也有其固有的缺点，如您不可能期望到系统级的FPGA产品售20RMB/片，也不能相信有厂家为您用FPGA定制您想要的CPU这类的玩笑。
从上面的比较可以看出来FPGA和ASIC各有各的优势在实际应用中应根据设计和产品的定位来选用。但通过和大量应用工程师的交流，笔者了解到他们对FPGA产品有一些认识误区，笔者也在这里讨论一下。
首先有些工程师认为FPGA产品在稳定性上不如ASIC，其实，在实际运行中同样工艺生产的FPGA和ASIC的物理特征和稳定性是没有什么区别的。用FPGA开发的产品对稳定性和运行环境的要求一点也不低，比如许多探测仪器、卫星、甚至前不久美国开发的深海海啸探测器中都大量的使用了FPGA产品。这些系统对稳定性和运行环境的要求不可谓不高，说明FPGA产品的稳定性是可靠性是可以信赖的。其次认为ASIC运行的速度要不FPGA更高，其实这个概念没错，但这只对频率非常高的设计而言，如CPU，在通常应用情况下而者没有区别，笔者就亲眼见过原来上海沪科公司的单板式底成本2。5G SDH设备板子，上面核心器件几乎全部是FPGA设计，指标非常完美以至UT斯达康要花大价钱收购它，但后来因为对老大哥华为的威胁太大而被灭了。
另外由于工艺技术的发展，现在FPGA和ASIC有相互融合取长补短的趋势，混和芯片是新的发展趋势。FPGA中内嵌丰富的通用电路，如CPU、RAM、PCI接口电路等等这样在提高了FPGA集成度的同时进一步加快了设计进度，同时减少了系统厂家的外围成本。
总之FPGA和ASIC产品的使用要根据产品的定位和设计需要来选用，ASIC产品适用于设计规模特别大，如CPU、DSP或多层交换芯片等，或者是应用于技术非常成熟且利润率非常低的产品，如家用电器和其它消费类电器，亦或是大量应用的通用器件如RAM、PHY等。而FPGA产品适用于设计规模适中，产品要求快速占领市场，或产品需要灵活变动的特性设计等方面的产品，如PDH、2.5G以下SDH设备和大部分的接口转换芯片等。当然具体使用那种产品来设计还要设计者充分考虑自己的产品定位来决定。）

答案：FPGA是可编程ASIC。

ASIC:专用集成电路，它是面向专门用途的电路，专门为一个用户设计和制造的。根据一个用户的特定要求，能以低研制成本，短交货周期供货的全定制，半定制集成电路。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点。