fpga是原型设计的一个很好的解决方案，因为它们为设计人员提供了在应用程序中测试设计的灵活性，而不会产生大量的NRE费用。可以使用相同的FPGA原型设备进行设计迭代，直到获得最终的工作解决方案。然而，一个完整的设计通常需要一组不同的优先级:更低的成本、更低的功耗和更好的性能。结构化ASIC为这种从原型到生产设计需求的转变提供了解决方案，风险比类似的基于单元的ASIC实现更小。与fpga相比，结构化asic还提供了几个关键的性能优势，主要是在功耗降低、时钟性能和核心密度方面。
由于其可编程特性，fpga比asic使用更多的功率。最先进的fpga为用户提供了合理数量的逻辑和内存，默认情况下需要大量的晶体管来支持这种容量。大多数设计都没有使用FPGA中所有可用的器件，因此大部分晶体管都是有源的，尽管没有用于功能电路中。这对完整的设计来说是一个不断消耗能量的来源。FPGA上可用的大量可编程逻辑和内存也导致了较大的芯片尺寸。FPGA上的可编程互连代表了芯片的重要部分，是另一个恒定的功率消耗来源。在通过FPGA的路由设计中，任何两点之间都没有直接路径，需要大量的开关来打开给定的路径。为给定的路由使用大量的开关是高功率使用的第三个来源。最后，FPGA设计人员不能使用可编程的时钟互连。这就导致了在模具表面需要一个巨大的时钟网络，再次使用了大量的功率。
另一方面，结构化专用集成电路在制造工艺的上层被编程以满足特定的逻辑功能。在电路设计中不使用的逻辑是不连接的，在许多情况下可以下电以进一步节省总功耗。在结构化ASIC中作为大块嵌入的ASIC存储器也比FPGA存储器更快，功耗更低。路由也被优化为电路上两点之间的最短路径，进一步减少了功耗。最后，可以使用多个时钟，并优化电路定时，以找到功率和性能之间的平衡。考虑到所有这些节能选项，结构化ASIC设计通常比FPGA中实现的相同设计少使用20%的功率。
与FPGA相比，使用结构化ASIC也可以提高时钟性能。在结构化ASIC设计中，未使用的可编程互连被剥离，只留下使设计功能所需的部分。路由也得到了改进，因为必要的路径不需要通过交换机路由，总体时钟速度可以显著提高。在结构化ASIC需要匹配FPGA性能的情况下，引入延迟元件来降低结构化ASIC的性能，以满足FPGA的性能。这种核心逻辑和内存速度上的差异使设计人员可以灵活地做以下两件事之一:要么将设计的整体性能提高到FPGA无法达到的水平，要么通过使用旧的工艺技术降低结构化ASIC设计的成本。在后一种情况下，如果结构化ASIC只需要匹配FPGA的性能而不超过它，则可以使用比FPGA低一代的ASIC技术。例如，如果一个设计是在Xilinx Virtex-II Pro FPGA中实现的，它使用1.5V 0.13 m m m技术，结构化ASIC替换可以在0.18 m m m技术中实现，但仍将匹配FPGA的时序。正如大多数设计人员所知，在旧的结构化ASIC技术中实现设计可以大幅降低工程成本，因为掩模成本几乎以对数速率增长。需要注意的一点是，如果设计人员选择用更低成本的结构化ASIC工艺技术取代FPGA，则工作电压可能会发生变化。如果FPGA设计是在1.5V的产品中实现的，并且设计人员希望用较老的技术结构ASIC取代设计，那么ASIC解决方案可能会采用1.8V的工艺。 However, with foresight on the designer’s part the board layout can accommodate this and the total system cost will be further reduced.
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图1:FPGA典型的核心限制芯片尺寸 |
与fpga相比，结构化asic的另一个关键优势是核心密度。为了保持可编程性，fpga的核心逻辑和内存都需要大量的晶体管开销。根据结构化ASIC的制造商的不同，核心逻辑密度是可比技术中FPGA的7到10倍。在FPGA中进行原型设计，然后重新定向到结构化ASIC，在结构化ASIC中使用的硅显著减少，这意味着实现的最终设计将具有更低的成本。大多数fpga的核心是有限的，即硅的核心面积是限制因素的芯片尺寸。
(图1)等效结构的ASIC通常是受衬垫限制的，即硅周围的衬垫环是模具尺寸的限制因素。(图2)因此，为了降低在结构化ASIC中实现的设计的最终成本，谨慎的做法是减少I/O的总数，使I/O不再是结构化ASIC芯片尺寸的限制因素。较小的结构化ASIC芯片允许用户将其生产设计成本降低到FPGA成本的一小部分，通常是5到10倍。
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| 图2:结构专用集成电路典型的衬垫有限的模具尺寸 |
很明显，对于在FPGA中原型化的大多数设计来说，可以大幅降低成本和功耗，同时在转移到结构化ASIC时保持或提高设计性能。使用FPGA通常有两个原因。其一，设计将在其整个生命周期中不断变化(需要持续的可重编程性)，其二，产量如此之低，以至于投资结构化ASIC开发没有意义。在前一种情况下，很明显FPGA是首选的解决方案。然而，在后一种情况下，联系结构化ASIC供应商进行成本/容量权衡分析仍然是一个好主意，因为结构化ASIC具有令人惊讶的低进入成本。由于具有类似asic的性能，而成本仅为一小部分，因此结构化asic作为fpga的生产替代品正在获得动力也就不足为奇了。
作者简介
Dave Larson目前担任AMI半导体(纳斯达克股票代码:AMIS)结构化数字产品业务部门的战略营销经理。他的职责包括市场研究和细分，竞争对手分析，业务和产品规划和收入预测的单位目标市场，包括通信，计算，电子数据处理和军事/航空航天。
