การเปรียบเทียบ FPGA, ASIC แบบมีโครงสร้าง, และ ASIC ที่ใช้เซลล์

โซลูชันลอจิกแบบกำหนดเองแต่ละประเภทมีข้อดีของตัวเอง โดยขึ้นอยู่กับการผสมผสานระหว่างความยืดหยุ่น การใช้พลังงาน ประสิทธิภาพ เวลาออกสู่ตลาด และข้อกำหนดต้นทุนรวมของการเป็นเจ้าของ

ประเภทฮาร์ดแวร์ลอจิกแบบกำหนดเอง:

  • FPGA สามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้ โดยให้ความยืดหยุ่น ประสิทธิภาพ และกำลังที่สมดุล พวกเขามักจะมีต้นทุนการพัฒนาที่ต่ำที่สุดและมีเวลาออกสู่ตลาดเร็วที่สุด และโดยทั่วไปสามารถปรับได้อย่างรวดเร็วให้เข้ากับความต้องการของตลาดและลูกค้าที่เปลี่ยนแปลงไป

  • ASIC แบบมีโครงสร้างให้พลังงานหลักที่ต่ำกว่าถึง 50% โดยมีต้นทุนต่อหน่วยที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ FPGA และเวลาในการออกสู่ตลาดที่เร็วขึ้นและ NRE ที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ ASIC ที่ใช้เซลล์

  • ASIC ที่มีเซลล์มักจะมีต้นทุนต่อหน่วยต่ำที่สุด ใช้พลังงานต่ำที่สุด และประสิทธิภาพที่เร็วที่สุด แต่มักจะมาพร้อมกับต้นทุน NRE ล่วงหน้าที่สูงกว่าอย่างเห็นได้ชัด และวงจรการออกแบบที่ยาวกว่าและใช้ทรัพยากรมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ ASIC แบบมีโครงสร้าง

author-image

โดย

การเร่งความเร็วด้วยฮาร์ดแวร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรูปแบบของตรรกะที่กำหนดเอง กำลังช่วยให้เครือข่ายไร้สาย ผู้ให้บริการระบบคลาวด์ และองค์กรอื่นๆ ตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และลดพลังงานและต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ ในบริการไร้สายที่มีแบนด์วิดธ์สูง เช่น 5G ต้องการอัตราสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นภายในงบประมาณด้านพลังงานที่จำกัด

ในระยะแรก ผลิตภัณฑ์ที่ตั้งโปรแกรมได้สำหรับอุปกรณ์ไร้สาย มีข้อได้เปรียบด้านการออกแบบเหนือฮาร์ดแวร์แบบคงที่เพื่อเร่งฟังก์ชันบางอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเครือข่ายมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในศูนย์ข้อมูลระบบคลาวด์ ลอจิกแบบกำหนดเองสามารถเร่งความเร็วอัลกอริทึมที่เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บ ความปลอดภัย และฟังก์ชันอื่นๆ แอปพลิเคชัน Edge และในตัวอาจได้รับประโยชน์จากการเร่งความเร็วสำหรับการอนุมาน AI การเร่งความเร็วยังสามารถรองรับการเปลี่ยนไปใช้มาตรฐานวิดีโอความละเอียดสูง 8K ล่าสุดในงบประมาณด้านความร้อนที่ท้าทาย

เมื่อพูดถึงการออกแบบฮาร์ดแวร์ สถาปนิกระบบมีโซลูชันลอจิกแบบกำหนดเองหลายประเภทให้เลือก FPGA, ASIC แบบมีโครงสร้าง และ ASIC ล้วนเป็นส่วนหนึ่งของความต่อเนื่องลอจิกแบบกำหนดเอง เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความยืดหยุ่น ประสิทธิภาพ พลังงาน และต้นทุนรวมของความต้องการในการเป็นเจ้าของ ตลอดจนข้อกำหนดด้านเวลาสู่ตลาด สถาปนิกจะต้องเลือกประเภทฮาร์ดแวร์ที่เหมาะสมที่สุดกับสถานการณ์ของพวกเขา

FPGA

Field Programmable Gate Array (FPGA) เป็นวงจรในตัวที่มีแฟบริกฮาร์ดแวร์ที่ตั้งโปรแกรมได้ วงจรภายใน FPGA ได้รับการออกแบบเพื่อใช้ฟังก์ชันต่างๆ ที่หลากหลาย และสามารถตั้งโปรแกรมใหม่เพื่อทำหน้าที่เหล่านี้ได้ตามต้องการ ด้วยเหตุนี้ FPGA จึงเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมในแง่ของความยืดหยุ่นและเวลาในการออกสู่ตลาดที่รวดเร็ว

FPGA ถูกสร้างมาสำเร็จรูปและลูกค้าเป็นผู้ตั้งโปรแกรมในห้องปฏิบัติการหรือในภาคสนาม ไม่จำเป็นมีต้นทุนทางวิศวกรรมที่ไม่เกิดซ้ำ (NRE) และสามารถช่วยให้นักประดิษฐ์เข้าสู่ตลาดได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ FPGA เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการสร้างความแตกต่างในสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

ASIC

เมื่อคุณสมบัติใหม่ใช้การได้เต็มที่ การออกแบบวงจรในตัวจะประหยัดและใช้พลังงานน้อยกว่า วงจรในตัวเฉพาะแอปพลิเคชัน (ASIC) สร้างขึ้นตามวัตถุประสงค์และผลิตขึ้นเป็นจำนวนมากสำหรับฟังก์ชันเฉพาะ แต่ต่างจาก FPGA ตรงที่ไม่สามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้ และต้องมีการลงทุน NRE จำนวนมาก

ด้วย ASIC แบบใช้เซลล์มาตรฐาน ทุกชั้นของวงจรรวมจะต้องได้รับการปรับแต่ง ซึ่งจำเป็นต้องมีทีมออกแบบเฉพาะทางและเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่ออกแบบเพื่อการใช้งานตามวัตถุประสงค์ ตลอดจนการลงทุนจำนวนมากในการพัฒนาสถาปัตยกรรมการออกแบบเพื่อการทดสอบ (DFT) เพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบนั้นสามารถผลิตได้และมีคุณภาพดี

ASIC แบบมีโครงสร้าง

ASIC แบบมีโครงสร้างเป็นขั้นตอนที่เพิ่มขึ้นระหว่าง FPGA และ ASIC ที่ใช้เซลล์ ASIC แบบมีโครงสร้างเริ่มต้นด้วยอาร์เรย์พื้นฐานทั่วไปที่มีลอจิก หน่วยความจำ I/O ตัวรับส่งสัญญาณ และระบบฮาร์ดโปรเซสเซอร์ นักออกแบบจำเป็นต้องปรับแต่งการเชื่อมต่อระหว่างกันเท่านั้น โดยข้ามขั้นตอนมากมายที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนการออกแบบ ASIC ที่ใช้เซลล์ และมุ่งเน้นที่การใช้ฟังก์ชันแบบกำหนดเองที่ต้องการแทน โดยพื้นฐานแล้ว ASIC แบบมีโครงสร้างใช้พลังงานต่ำกว่าด้วยต้นทุนต่อหน่วยที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ FPGA และเวลาออกสู่ตลาดเร็วขึ้นด้วย NRE ที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ ASIC ที่ใช้เซลล์

จะเลือกอะไรและเมื่อใด

นักออกแบบและสถาปนิกระบบต้องสร้างสมดุลระหว่างความยืดหยุ่น ประสิทธิภาพ การใช้พลังงาน และต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของกับความต้องการด้านเวลาสู่ตลาด เพื่อทำการเลือกโซลูชันเทคโนโลยีลอจิกแบบกำหนดเอง

ประสิทธิภาพและการใช้พลังงาน

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดต่อวัตต์ ASIC ที่ใช้เซลล์อาจเป็นทางเลือกที่ดีที่สุด โดยมีค่าใช้จ่ายของการลงทุน NRE ล่วงหน้าที่สูงขึ้นและรอบการออกแบบที่ยาวนานขึ้นเมื่อเทียบกับ FPGA หรืออุปกรณ์ ASIC ที่มีโครงสร้าง ตัวเลือกนี้ยังถือว่าผลิตภัณฑ์ไม่ต้องการการตั้งโปรแกรมซ้ำหรือการเปลี่ยนแปลงอัลกอริธึมระหว่างวงจรชีวิตของผลิตภัณฑ์

ต้นทุนการพัฒนาและการผลิต

สำหรับโครงการที่เกี่ยวข้องกับต้นทุนการพัฒนา ASIC แบบมีโครงสร้างหรือ FPGA น่าจะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด แม้ว่า ASIC จะมีต้นทุนการผลิตต่อหน่วยต่ำที่สุด แต่ก็มีต้นทุน NRE สูงสุด ดังนั้นตัวเลือกนี้อาจเหมาะสมสำหรับการออกแบบที่มีความคาดหวังด้านปริมาณการผลิตที่สูงขึ้นอย่างมากเท่านั้น โดยทั่วไป การออกแบบ FPGA ไม่ต้องการค่าใช้จ่าย NRE ล่วงหน้า และสามารถปรับขนาดได้ตั้งแต่หลายร้อยถึงหลายแสนหน่วย ด้วยขั้นตอนการออกแบบและการปรับแต่งที่ง่ายขึ้น ASIC แบบมีโครงสร้างจึงมีต้นทุนการพัฒนาที่ต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ ASIC ที่ใช้เซลล์บนโหนดกระบวนการที่คล้ายคลึงกัน และสามารถเป็นวิธีที่ประหยัดในการลดต้นทุนและพลังงานในปริมาณที่น้อยลง

เวลาออกสู่ตลาด

โครงการที่เกี่ยวข้องกับเวลาในการออกสู่ตลาดเหนือปัจจัยอื่นๆ ควรพิจารณา FPGA ก่อน ขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของการออกแบบ FPGA อาจใช้เวลาเป็นสัปดาห์หรือเดือนในการออกแบบ ASIC แบบมีโครงสร้างจะใช้เวลาประมาณหกถึงเก้าเดือนขึ้นอยู่กับความซับซ้อน โดย ASIC ที่ใช้เซลล์จะใช้เวลาประมาณ 18 ถึง 24 เดือน

การวางแผนเส้นทางการย้าย

เมื่อใช้โซลูชันลอจิกแบบกำหนดเอง ควรพิจารณาเส้นทางการย้ายที่เป็นไปได้จากเทคโนโลยีลอจิกแบบกำหนดเองประเภทหนึ่งไปยังอีกประเภทหนึ่ง เพื่อรองรับความต้องการวงจรชีวิตตั้งแต่การสร้างต้นแบบและการผลิตในช่วงเริ่มต้นไปจนถึงการผลิตจำนวนมาก การออกแบบที่เริ่มต้นบน FPGA สามารถทำให้แข็งแกร่งได้ทั้งบน ASIC แบบมีโครงสร้างหรือแบบที่ใช้เซลล์ ในทำนองเดียวกัน สถาปนิกระบบสามารถโยกย้ายจาก ASIC ที่มีโครงสร้างไปแบบที่มีเซลล์เพื่อเพิ่มขนาดอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม การย้ายจากฮาร์ดแวร์ประเภทหนึ่งไปยังอีกประเภทหนึ่งอาจต้องมีการเปลี่ยนแปลงไม่เพียงแต่กับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แต่ยังอาจต้องเปลี่ยนแปลงทรัพย์สินทางปัญญา เช่นเดียวกับโปรเซสเซอร์และการพัฒนาซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้อง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เพิ่มเวลาและค่าใช้จ่ายในช่วงเปลี่ยนย้าย

Intel® FPGA, ASIC แบบมีโครงสร้างและ ASIC ที่ใช้เซลล์

การใช้ผู้จำหน่ายหลายรายสำหรับ FPGA, ASIC ที่มีโครงสร้าง และการพัฒนา ASIC ที่ใช้เซลล์สามารถนำไปสู่ความท้าทายด้านความเข้ากันได้และการแปลการออกแบบจากกระบวนการพัฒนาหนึ่งไปสู่อีกกระบวนการหนึ่ง ซึ่งชะลอเวลาในการออกสู่ตลาด

เพื่อนำเสนอโซลูชันลอจิกแบบกำหนดเองที่ต่อเนื่องอย่างสมบูรณ์ Intel จะเพิ่มความคล่องตัวในการโยกย้ายและลดปริมาณของการทำงานซ้ำที่อาจเกิดขึ้น ตอนนี้นักออกแบบมีโซลูชันต่างๆ ให้เลือกเพื่อปรับความยืดหยุ่น พลัง ผลการทำงาน ต้นทุน และเวลาสู่ตลาดให้มีประสิทธิภาพสูงสุดตามความต้องการในตลาดสำหรับแต่ละโครงการและตลอดวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์ Intel® FPGA เสนอเวลาออกสู่ตลาดที่รวดเร็วด้วยความยืดหยุ่นสูงสุด ASIC ที่มีโครงสร้าง Intel® eASIC™ ลดการใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายต่ออุปกรณ์ ในขณะที่ให้ NRE ที่ต่ำกว่าและเวลาออกสู่ตลาดเร็วกว่า ASIC ที่ใช้เซลล์

การเลือกที่ได้รับการปรับปรุงนี้ยังสนับสนุนด้วยฮาร์ดโปรเซสเซอร์ที่ใช้งานร่วมกันได้และระบบรักษาความปลอดภัยที่ใช้ประโยชน์จาก Intel® FPGA และโซลูชันแพ็คเกจแบบกำหนดเอง สิ่งเหล่านี้ช่วยให้ผู้ผลิตหลีกเลี่ยงความพยายามในการออกแบบ PCB ใหม่ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง

Intel® FPGA

ผลิตภัณฑ์ Intel® FPGA ครอบคลุมกลุ่มผลิตภัณฑ์ต่างๆ รวมถึง Intel® Agilex™ และซีรีส์ Intel® Stratix® สร้างขึ้นสำหรับความเร็วสูงในช่วงกำลังไฟขนาดเล็ก Intel® FPGA ช่วยให้สถาปนิกระบบอยู่ภายในข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพ พลังงาน และราคา ในขณะที่บรรลุเวลาออกสู่ตลาดรวดเร็ว และเนื่องจากใช้ IP ร่วมกันกับ ASIC ที่มีโครงสร้างล่าสุดจาก Intel FPGA เหล่านี้จึงมีข้อดีเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการออกแบบที่อาจย้ายไปยัง ASIC ที่มีโครงสร้างในอนาคต

อุปกรณ์ Intel® eASIC™

อุปกรณ์ Intel® eASIC™ เป็น ASIC ที่มีโครงสร้าง ซึ่งออกแบบมาเพื่อช่วยลดการใช้พลังงานและต้นทุนต่อหน่วยเมื่อเทียบกับ FPGA ที่มี NRE ต่ำกว่าและเวลาในการออกสู่ตลาดเร็วขึ้นเมื่อเทียบกับ ASIC ที่ใช้เซลล์

Intel® eASIC™ N5X เพิ่มระบบฮาร์ดโปรเซสเซอร์ Quad Core และตัวจัดการอุปกรณ์ที่มีการรักษาปลอดภัย ซึ่งดัดแปลงมาจากเอฟพีจีเอ Intel® Agilex™ เป็นครั้งแรก

อินเทอร์เฟซรวมถึง JESD204 ADC/DAC และโปรโตคอลการเชื่อมต่อ รวมถึงอีเธอร์เน็ต 10/25G พร้อมใช้งานสำหรับทั้งอุปกรณ์ Intel® FPGA และ Intel® eASIC™ N5X เพื่อความสะดวกในการย้ายการออกแบบ

อุปกรณ์ Intel® easicopy™

สำหรับเส้นทางที่ราบรื่นจาก ASIC ที่มีโครงสร้างเป็นแบบใช้เซลล์ อุปกรณ์ Intel® easicopy™ ช่วยให้สามารถเปลี่ยนไปใช้การผลิตที่มีปริมาณสูงมาก อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานโดยนำการออกแบบของลูกค้าไปใช้ในเซลล์เกตมาตรฐาน แต่ยืมโปรเซสเซอร์ การรักษาความปลอดภัย ตัวรับส่งสัญญาณ และ IO IP บางส่วนจากตระกูล ASIC ที่มีโครงสร้าง

เครื่องมือของนักพัฒนา

นอกจากฮาร์ดแวร์แล้ว Intel ยังมีเครื่องมือและซอฟต์แวร์สำหรับนักพัฒนาอีกด้วย เครื่องมือสำหรับนักพัฒนา เช่น ซอฟต์แวร์ Intel® Quartus® Prime Pro Edition ช่วยลดเวลาในการพัฒนาและต้นทุนของการออกแบบ FPGA

Intel® eASIC™ eTools จัดให้มีเฟรมเวิร์กสำหรับการแปลงและการตรวจยืนยันดีไซน์ โดยใช้การผสานรวมกันของเครื่องมือที่พัฒนาขึ้นภายในและของบุคคลที่สามระดับอุตสาหกรรม ซึ่งรวมถึงไลบรารีการสังเคราะห์และการจำลองแบบ, IP Wrapper เพื่อปฏิบัติใช้ฟังก์ชัน eASIC เช่นเดียวกับสคริปต์สำหรับการตรวจยืนยันโค้ดและการใช้งานเครื่องมือการสังเคราะห์และการจำลองแบบของบุคคลที่สาม Platform Designer สำหรับซอฟต์แวร์ Intel® Quartus® ถูกใช้สำหรับการกำหนดค่าระบบฮาร์ดโปรเซสเซอร์ DSP Builder for Intel® FPGA ยังสามารถส่งออกโค้ด RTL ที่พร้อมใช้งาน FPGA และ eASIC™ ได้อีกด้วย

ด้วยกลุ่มผลิตภัณฑ์ซิลิคอนที่หลากหลาย Intel ช่วยให้สถาปนิกระบบออกแบบโซลูชันที่ปรับแต่งได้อย่างเหลือเชื่อ เฉพาะ Intel เท่านั้นที่จัดหาโปรเซสเซอร์ Intel® Xeon®, Intel® FPGA, ASIC และอุปกรณ์ ASIC ใหม่ที่มีโครงสร้าง การแบ่งประเภทนี้ประกอบด้วยความต่อเนื่องลอจิกแบบกำหนดเองที่ช่วยให้สถาปนิกสามารถตอบสนองความต้องการเฉพาะของตนเองในด้านเวลาออกสู่ตลาด ประสิทธิภาพ กำลัง และต้นทุน

คำถามที่พบบ่อย

FPGA และ ASIC ไม่ว่าจะเป็นแบบโครงสร้างหรือแบบใช้เซลล์ สามารถรองรับแอปพลิเคชันประเภทเดียวกันได้ เช่น การเร่งความเร็วในเครือข่ายไร้สายหรือที่เก็บข้อมูลบนคลาวด์ ความแตกต่างจะมีความยืดหยุ่นในการปรับให้เข้ากับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไป ประสิทธิภาพการทำงาน และประสิทธิภาพด้านพลังงาน ตลอดจนเวลาและต้นทุนในการพัฒนา

FPGA เหมาะอย่างยิ่งเมื่อพยายามทำให้ออกสู่ตลาดให้เร็วที่สุด หรือหากฮาร์ดแวร์ถูกวางแผนให้ตั้งโปรแกรมใหม่เพื่อทำหน้าที่อื่นในอนาคต ASIC ที่มีโครงสร้างเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าเมื่อฟังก์ชันการทำงานได้รับการแก้ไขและไม่เปลี่ยนแปลง ในขณะที่การใช้พลังงานและต้นทุนต่อหน่วยที่ต่ำลงมีความสำคัญมากกว่า

เมื่อแก้ไขฟังก์ชันการทำงานได้ การเปลี่ยนจาก FPGA ไปเป็น ASIC ที่มีโครงสร้างก็สมเหตุสมผลดีจากมุมมองด้านพลังงาน ประสิทธิภาพ และต้นทุน

ASIC แบบมีโครงสร้างและแบบใช้เซลล์มีราคาต่อหน่วยต่ำกว่า FPGA นอกจากนี้ยังให้ประสิทธิภาพสูงขึ้นและใช้พลังงานต่ำกว่า FPGA แต่ข้อเสียอยู่ที่ค่าใช้จ่าย NRE ที่เพิ่มขึ้น รอบการพัฒนาที่ยาวนานขึ้นอย่างมาก และการขาดความสามารถในการตั้งโปรแกรมโดย FPGA