FPGA vs ASIC

FPGA vs ASIC

相同点

都设计使用硬件描述语言（HDL），如VHDL或Verilog。但ASIC相比于FPGA开发上，代码风格更为随意，因为FPGA是先有电路，后有代码，ASIC是先有代码后面有专门的人员进行布局布线，而且是专用的布局布线软件工具。

不同点

可编程性：FPGA可重构电路，完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写；ASIC永久电路，ASIC需要较长的开发周期，风险较大，一旦有问题，成片全部作废。

功耗：在相同工艺条件下，FPGA要大于ASIC。FPGA，尤其是基于占用大量硅面积的、每个单元六个晶体管的静态存储器（SRAM）的查找表（LUT）和配置元件技术的FPGA，其功耗要比对等的ASIC大得多。ASIC的功耗可以非常精确地控制和优化（低功耗设计）。

速度：FPGA内部是基于通用的结构，根据RTL设计选择内部布局布线，FPGA结构上的通用性必然导致冗余。ASIC是根据设计需求，最优化cell逻辑资源，没有结构上的限制，并且做到最优布局走线，降低走线延迟和CELL延时。相同的工艺和设计，在FPGA上的速度应该比ASIC跑得慢。

频率：ASIC主频时钟是远高于FPGA系统主频时钟，一个很重要的原因也是有专门布局布线，另一个原因是ASIC使用组合逻辑相对较多。

模拟：FPGA不可能进行模拟设计，ASIC在专用于模拟收发器的射频（RF）核心上，可以不包含许多专用的模拟收发器。

应用：FPGA 的可配置性更适合科研、军工等应用，而 ASIC 的高性能和低成本则适合消费电子领域（包括移动终端）

原型设计：FPGA优先用于原型设计和验证设计或概念。ASIC除非经过绝对验证，否则不建议使用ASIC对设计进行原型设计。一旦硅被贴上胶带，几乎什么也无法修复设计缺陷。FPGA验证是进行ASIC设计的重要环节，完成FPGA验证可以说就完成了ASIC整套流程的50～80%。

设计流程：FPGA设计人员一般不需要关心后端设计，ASIC设计人员需要关心从RTL到重置树、时钟树、物理布局和布线、工艺节点、制造约束（DFM）、测试约束（DFT）等所有事情，通常每一个领域都由不同的专业人员处理。

成本：ASIC开发成本高于FPGA，随着使用数量增加，FPGA成本上升幅度高于ASIC，下图是Xilinx公司制作的成本比较：

面积：定制化的电路设计和工艺使用ASIC面积小于FPGA。

FPGA和ASIC区别很多。ASIC的逻辑通常远远大于FPGA的，门数上有数量级的差别，运行时钟也远远高于FPGA。而且，ASIC只有一次机会，FPGA因为可以编程，所以coding的灵活性相对提高。仅仅从RTL设计上来说：

（1）ASIC更趋于保守，对逻辑的任何改动都要三思，并且要做备选的选择，以防改错。RTL的任何修改几乎都是增量修改，即便以前的逻辑错了，也不会删掉，而是多做一个分支。
（2）ASIC对coding style的要求更高。所有模块的coding风格要求一致，这样有利于后端以及后续的check。
（3）ASIC设计对时钟和复位更加重视。尤其是时钟，对ASIC的设计极其关键，复位对BIST测试又很关键。ASIC在这方面都需要采用库来进行设计。ASIC通常不会用counter分频，这样会导致时钟不干净，除非是很低频的时钟。ASIC对于跨时钟域的信号处理也谨慎很多。对于clock的关闭和打开也需要严格检查。
（4）ASIC要考虑SCAN测试和BIST的问题，所以设计的时候还需要为SRAM做BIST插入，需要为SCAN预留接口，虽然大部分都是工具干的，但是经常RTL作者也要手动做一些顶层工作，比如SCAN时钟的来源等逻辑。
（5）FPGA多用现成IP，需要考虑资源的均衡，不能把某一资源撑爆了，而且FPGA存在资源浪费问题。ASIC很少考虑这种问题，ASIC考虑的永远是性能和功耗，在逻辑选择上除了SRAM，CLK和复位相关，都是手写的，逻辑基本没有浪费，也更加紧凑。
（6）ASIC时序预见性更好，可调整度高，所以可以写很大的逻辑。

FPGA 和ASIC开发流程的区别：

第一步，首先是要实现功能，方式一般采用HDL描述，如verilog，VHDL。当然对于小规模电路也可以采用电路图输入的方式。

第二步，得保证电路功能的正确性，也叫验证，可以通过软件仿真，硬件仿真等方式实现。软件仿真一般比较直观，方便调试，因为每一时刻的状态都可以看到，这好比调试软件程序。硬件仿真一般就是指FPGA验证，就是把电路用FPGA实现，然后去跑，这个的好处就是速度很快，譬如一个视频解码核，解一帧图像出来，软件仿真就算用最好的服务器，也得跑上多少秒，但是在FPGA中实现的话，基本就是多少毫秒了。这对于一个需要大规模验证的电路来说，是必不可少的。
前面两步对于数字IP来说，ASIC和FPGA基本一致，除非一些实现技巧的差别。
第三步，在你描述的电路正确性得到确保之后，你就要实现它，就是要把你写的那些代码变成实实在在的电路，如寄存器还是与非门，这个过程就叫综合。由于电路规模日益复杂，一般最基本的电路就被做成了cell，如寄存器，与非门，就不会再细化到用三极管怎么去搭的问题了。这一步对于FPGA和ASIC来说就是最小的那个单元不一样。FPGA是做好的电路，一般顾及通用性和效能，基本电路单元就做得比较大，如LUT，就是由寄存器和与非门构成，你可能只用了其中一个与门，但是还会占用这么一个单元。对于ASIC来说，两输入的与非门，就是一个简单的门电路，甚至为了区分驱动能力和时序特性差异，还分了好几个等级，有的面积小，有的驱动能力强。总的来说这一步就是工具把你的描述变成基于库的电路描述。
第四步，你得到基于库的电路描述之后，就要考虑这些单元怎么摆放的问题，这叫布局布线。FPGA的话连线资源有限，所以需要不断地调整，在保证时序要求的情况下，把你的电路映射到其固定的资源分布图中间。ASIC的话一般是根据周边电路需求，时序要求，把你的电路放到芯片的某个位置。在摆好之后还得考虑连线是否能通，各级延时是否能满足电路的建立和保持时间要求等等。
第五步，输出。FPGA就是输出一个配置文件，告诉 FPGA芯片该怎么样去配置其电路，使其实现预期功能。该文件可以在FPGA上电之后再由PC下载进去，也可以保存在Flash里，电路上电之后自动配置。ASIC就是输出一个版图文件，告诉代工厂该怎么去腐蚀硅片，该怎么连金属等等。
当然在这过程中间会有各种各样的辅助步骤。总的来说都是为了确保你设计的电路正确及正确实现你的电路。

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