半导体产品开发选择指导：FPGA，还是ASIC？

　　在新产品开发的阶段，时间往往是决定性的因素。更快速的进入市场通常意味着更短时间内获得预期的投资回报。由于FPGA具有快速、灵活的系统设计验证能力，可以确保尽可能快的缩短新产品上市时间，为用户赢得市场竞争先机。在产品开发初期，使用FPGA通常会是个十分合理的选择。

　　然而接下来，产品历经市场考验，逐渐定型时。我们会突然发现，不甘示弱的竞争对手们已不请自来，希望分得一杯羹。市场不断验证着挑战无处不在的真理。那么我们该如何应对这出现的挑战呢？有没有可以在不影响甚至提高产品性能情况下降低成本的方式，使我们在激烈的竞争中始终游刃有余呢？答案当然是肯定的，其中一个重要的解决方案就是可以考虑将产品中的FPGA转换成ASIC.

　　我们说，FPGA的优点就是可以通过可重复配置快速实现设计验证。但是当产品到了大规模定型生产的时期，这个特性变得无足轻重，而FPGA的相对不足则会表露无遗：

　　1） 在同等的工艺下，对比系统时钟的运行速度，FPGA一般比ASIC性能落后2倍。为了达到同样的系统性能，FPGA必须选择比ASIC更先进的工艺。这也就意味着FPGA 硅片应用成本远高于ASIC.

　　2） 产品安全性上，目前主流的FPGA都是用片外的PROM或者FLASH存储代码，上电时从片外存储器读入到内部SRAM的方式，这种方式代码很容易被拷贝。

　　3） 由于是采用SRAM的方式来执行逻辑，在受到强干扰，辐射等恶劣条件影响下，内部的逻辑位有可能发生性变更，有可能导致逻辑功能的失效，恢复的办法就是重新上电。这对于那些对安全性，可靠性有要求的应用来说尤其不利。

　　4） FPGA具有相对高得多的功耗，限制了产品的应用范围，增加了产品电源设计的难度及成本。

　　那么ASIC解决方案如何避免这些并实现成本降低呢？

　　FPGA属于通用IC.用户实际上只是或多或少选择性的使用了芯片的部分资源，对晶圆的整体利用率并不高。而ASIC是按照特定客户的需求实现设计化，将不需要的功能去除，提高晶片利用率；此外，ASIC不需要同样线宽的工艺就能达到FPGA相同性能。比如，一般65nm的FPGA所能达到的性能，选择110nm的ASIC工艺来匹配即可。使用相对旧的工艺单位门的晶片占用尺寸可能稍大，但定制功能的ASIC晶圆面积不一定比所用FPGA晶圆面积大，而且掩模和其它加工费用会有很大的节省，加上良率的提高这就意味着相对更便宜的晶圆价格。由于这些原因，通常来讲FPGA到ASIC的转换，单价会有40% 左右的降低。

　　再对比一下ASIC在性能方面的变化：

　　1） 安全性好：由于省去上电代码的加载，ASIC进一步降低了设计被复制的可能性。ASIC可以实现冷启动，热插拔，不容易受到辐射等影响，这些特点都决定了在对安全性，可靠性有很高要求的场合，ASIC是合适的选择。

　　2） 功耗低：ASIC设计有很多成熟的降低功耗的方法，比如电源岛，门控时钟和多阈值电压晶体管等。通常来讲，FPGA到ASIC的转换，会降低3-4倍的功耗。这也降低了主板上电源设计的难度。

　　3） 集成度高：ASIC的逻辑实现密度比FPGA高很多，在同等逻辑规模下，ASIC的尺寸可以更小。同时ASIC也可以帮助客户集成板上其他的资源，比如说存储器，模拟器件等，实现对整个应用电路板的二次优化。

　　由于是专门针对某一客户的定制，ASIC设计需要收取客户一定的性工程费用（NRE）。所有的设计费用，工程费用，流片费用，测试验证费用，封装费用等都包括其中。

　　下面我们以一个实例来说明成本的差异：

　　我们可以看到，通过3年成本的比较，ASIC相比FPGA来讲，给客户带来的直接成本节省约1.95百万美元。此外，ASIC的IP保护能力，可以防止客户设计被恶意复制；ASIC方案相对FPGA节省了功耗预算，简化了电源的设计。

　　转换流程

　　ASIC和FPGA拥有各自的特点，在产品大规模生产，且不需要频繁重新配置升级的场合，ASIC无疑具有明显的优势。那么，从FPGA到ASIC的转换过程是否非常复杂呢？

　　其实无论从流程上还是转换时间上来看，从FPGA到ASIC的转换都很简单。安森美半导体的DMI事业部在FPGA转换ASIC领域拥有20年的经验，曾经成功的转换超过4000个。安森美半导体拥有完备的网表转换工具，完整的高覆盖率的测试验证环境，经验丰富的工程师，在评估的初期，一般只需要客户提供FPGA的网表或者RTL设计文件。

　　针对客户提供的网表，将FPGA的网表进行ASIC网表的转换，将FPGA内部的Cell单元替换成同样功能的ASIC的cell单元，成熟先进的CAD工具保证原设计的功能和转换后的功能一致。

　　如果客户提供RTL文件，网表转化工具把FPGA的RTL文件转换成ASIC的RTL文件，其中FPGA的IP和模块被转换成同样功能的ASIC的IP和模块，同时通过成熟的CAD工具和设计师的丰富经验，将设计的时序和架构进行优化，使性能提到提高。

　　通常来讲，RTL文件中包括具体的器件信息，器件库信息。这些信息可以帮助我们更好的了解客户的设计初衷。通过对RTL网表优化，综合，从中提取到的时序信息可以有效的用来做芯片级仿真和验证。相反，正是由于RTL文件包含客户具体的设计信息，鉴于安全性考虑，客户可能不希望提供RTL文件。为了保证转换过程的顺利和有效，我们可以提供整套的前端设计套件DDK和设计库给客户，然后在客户侧，客户可以将RTL中关键IP替换为我们提供的设计库中的相应单元。这样做的好处是：一，客户可以保证FPGA设计数据的安全；二，客户可以利用我们提供的DDK和设计库在客户侧进行逻辑综合和仿真，可以验证替换IP的性能和时序；三，客户提供的门级网表，因为是基于我们自己的工具和设计库，我们可以得到准确的评估结果，包括复杂度，设计规模和风险评估。

　　关于FPGA到ASIC转换的具体流程.

　　针对整个FPGA到ASIC的转换过程，客户需要参与的环节很少，不会影响客户的正常产品研发进度。客户只要要在项目开始评估阶段，提供门级网表或者RTL网表，静态时序分析文件，综合脚本等设计的基本信息；在项目开始研阶段参与制定芯片的参数规格和验证方法；之后客户只要在所示的一些关键节点完成后，进行具体的审核和确认就可以了。

　　从转换时间来看，时间长短取决于产品本身设计实现的复杂度、IP的选用、选用工艺的实现复杂程度来决定。一个典型的几十万门的中等规模的设计，通常2-3个月即可Tape Out.

　　在FPGA到ASIC的转换过程中，客户可以选择pin-to-pin 替换，意即采用完全一样的封装设计和定义，这样客户就可以完全免去产品PCB的更改，直接替换。这样也方便客户拿到样片后芯片级和系统级的直接验证。如果采用了封装、引脚定义一致的替换，ASIC和FPGA还可以互为备份，降低客户采购风险。全程ASIC设计无需客户的工程团队介入，ASIC样品回来后，只需要客户进行2-3周的系统测试，用于验证AISC的功能和时序是否满足系统的要求，大大节省了客户宝贵的人力资源。

　　通过上面的阐述，我们可以看到FPGA到ASIC的转换：流程简单，转换周期短，同时给客户提供了灵活多样的用于降低成本，节省客户资源的选项。更为重要的是安森美半导体拥有自己的晶元工厂，可以提供低成本的、持续稳定供货的ASIC,以保证客户供应链的稳定。

　　风险控制

　　FPGA到ASIC的转换好处多而且简单容易，但并非百分之百毫无风险。虽然说FPGA到ASIC的转换流片成功率可以高达95%,我们还是必需要了解一下怎样才能把风险控制得更小，让FPGA到ASIC 的转换能更有效，时间周期更短。

　　我们不妨从另外一个角度看这个问题：到底有什么样的问题会导致流片失败或转换周期变长？

　　首先，由于FPGA和ASIC在数字逻辑功能的实现的本质上的不同，这里是指FPGA提供给客户现成的片上资源，通过配置和整合各个逻辑宏单元，链接矩阵，存储单元，可用的I/O资源来实现预期的功能。ASIC则是通过标准单元的搭建，从下而上重新设计实现数字逻辑功能，这就是说我们不能预期ASIC实现的逻辑功能和FPGA实现的逻辑功能完全一致。为了保证ASIC实现的逻辑功能尽可能和预期的FPGA实现的逻辑功能（包括行为，时序）尽量接近，客户需要提供尽可能多的验证数据，综合脚本，时序约束，测试向量等等。

　　由于设计前期FPGA验证的不充分，双方交换数据的不充分，对客户设计理解的不充分是导致流片失败的主要原因。

　　那说到转换周期的问题，通常来讲下面的几点是导致转换周期延长的主要原因

　　1） 设计更改，客户系统需求变更

　　如果在FPGA到ASIC的转换过程中，客户提出设计更改要求，参数更改要求等，通常意味着设计方案的更改，甚至于整体架构的更改。需要客户侧重新的验证，提供完整的验证数据等。这会在很大程度上影响产品的转换周期。

　　2） IP

　　IP的问题是导致FPGA到ASIC转换周期延长的主要原因。客户在初期产品设计阶段，如果采用了厂家提供的私有IP,往往这种类型的IP是需要专门的许可才可以进行ASIC转换，或者根本就不能够进行ASIC 转换。这种类型的IP通常很难在市场上找到可以完全兼容的IP,这就为日后的ASIC转换带来很大的障碍，也为进一步降低产品价格设置了路障；如果从第三方买来的IP,如果IP是专门针对FPGA来开发的，那么能不能够进行ASIC转换也是需要和第三方提前确认。针对某一种IP,第三方通常会标明该IP是适用FPGA版本还是ASIC版本。通常第三方也会提供完整的验证数据和测试。

　　3） 模拟电路验证

　　客户在进行FPGA到ASIC的转换方案中，经常也会考虑将外围的模拟电路整合到ASIC中。这种方案可以帮助客户简化系统设计，减小板卡尺寸，保护产品。但模拟电路的加入往往需要设计团队进行重新设计和芯片级验证，这些会对产品的转换过程产生影响。

　　所以，在转换初期，如果客户可以提供尽可能多的设计数据（网表或者寄存器传输级逻辑），验证环境参数，验证数据，测试数据，系统设计约束条件，关键路径约束参数等，无疑会使FPGA到ASIC的转换更有效率。

　　通常FPGA到ASIC转换供应商会根据客户提供的所有有效数据生成符合该供应商使用工具的数据，比如说网表，系统约束条件，时序约束要求，功能测试向量，甚至是验证平台。安森美半导体提供业界的设计，测试，验证流程，保证在整个的转换周期中，每一个经过的阶段前后，设计结果符合客户提供的有效设计数据。

　　FPGA和ASIC并行设计

　　以上简单的阐述了FPGA到ASIC的转换，针对的是已完成的设计，使用FPGA稳定量产的客户。对于那些刚刚着手系统设计规划的客户，我们非常推荐采用FPGA和ASIC并行设计的方式。这种方案高效率的将FPGA和ASIC各自的优点结合到一起，可以帮助客户上降低成本，缩减上市时间，产品收益化。

　　在开始系统设计的时候，用FPGA进行系统验证，由于FPGA快速的系统验证能力，软件团队更早的进入开发设计阶段。可以有效的缩短产品的上市时间。在FPGA设计的同时，就可以让ASIC的供应商参与进来，在选用IP时可以和供应商进行有效沟通，保证选用的IP在后面进行ASIC转换不构成影响。在FPGA设计阶段，可以针对FPGA版本和ASIC版本分别编码并统一测试，毕竟FPGA和ASIC的逻辑实现不是完全一样，供应商也可以在这个阶段提供客户需要的关键IP库，客户可以在早期对IP做功能性，系统级测试。在设计早期将从FPGA到ASIC转换有可能的问题解决掉，这将大大减少转换的时间，增加成功率。

　　使用FPGA的产品上市后，根据市场反馈需要进行反复修正。一旦经过市场验证产品定型后，即可直接开始FPGA到ASIC的转换，省去了和转换服务供应商的沟通商议的过程。供应商也不用再反复进行评估，因为所有的评估都已经在一开始FPGA设计阶段完成。

　　其它数字ASIC业务

　　，再简单为您介绍一下安森美半导体提供的其它几种数字AISC服务

　　1）多个FPGA合并

　　通常来讲，FPGA的合并有2种情况。一种是多个相互间功能耦合性比较小的FPGA合并成一个大的FPGA.通过FPGA合并到ASIC,可以减小板卡面积，减少系统功耗。另外一种是从系统设计角度来讲，将功能级别一样的，功能对应的FPGA合并在一起，比如说在信号交互系统，接收侧和发送侧的数字调制和解调模块，发送侧和接受侧的很多功能是重复实现的，这样可以将接收和发送侧的FPGA合并在一起，将不同的功能根据具体使用的位置进行灵活配置，这样可以简化系统级设计，简化系统测试，优化供应链管理。终降低了系统的整体成本。

　　2） ASIC EOL（End Of Life）替换服务

　　随着半导体行业的技术进步，产业更新节奏加快，ASIC EOL或者FPGA EOL的问题越来越频繁，这也让涉及的客户头疼不已。安森美半导体在很早以前就开始推广ASIC EOL或者FPGA EOL的替代服务。针对ASIC EOL,只要客户可以提供相应的网表，我们就可以提供功能，时序，引脚完全兼容的ASIC给客户。一般来讲FPGA EOL或者ASIC EOL发布时，对应的工艺都已经相当成熟，在转换周期上非常短，从签订设计规格到ASIC样片只要6周左右的时间，从而有效的保证了客户供应链安全。

　　3）客户定义ASIC

　　安森美半导体拥有大量的IP资源。基础IP ,接口IP,存储器（单口RAM,双口RAM,FIFO, ROM 等），高速SerDes IP（比如XAUI,PCI-E,E- SATA, Rapid I/O等），MCU （16-bit DSP, 8051, ARM 7,ARM9, Cortex-M0, Cortex-M3 等）以及模拟IP .同时安森美半导体和多家IP提供商保持着很好的合作关系，可以为客户提供相应的RTL代码，仿真模型，验证环境和测试数据供客户在FPGA设计阶段进行IP验证。这些都为我们的客户提供了优质了设计平台，客户可以自定义芯片，我们按照客户制定的设计规格，根据客户的要求，完成所有前端的设计，后端的测试，封装，生产等一系列工作。我们和客户的合作方式非常灵活。客户如果有比较深厚的数字和/或者模拟电路设计能力，客户可以完成前端的部分或者全部设计，安森美半导体可以完成后序的IP整合，后端的设计工序等。

　　通过上述介绍，相信各位已经对FPGA和ASIC各自的优势劣势有了大概的认识，也相信大家对安森美半导体的ASIC解决方案有了初步的了解。ASIC方案可以为您实现优化设计、降低成本、精简供应链管理。希望本文能够给您的产品设计生产带来另外一种思路，使您的产品在日趋激烈的市场竞争中保持优势。