关于FPGA和ASIC的区分和应用

在数字系统中ASIC和FPGA本身就有太多相似的地方，如我们看到的，在图像处理领域，ASIC和FPGA可以完成同样的图像处理任务；在通信领域，ASIC和FPGA可以完成相同的信道编码、高速通信接口等任务，这样的例子举不胜数。ASIC设计和FPGA设计中也存在着很多的相似的地方。它们二者在功能实现中都采用HDL描述。乍一看，二者似乎完全相同，但二者之间又互有优缺点。

首先说说什么是ASIC？

ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路）是一种应对特定用户和特定电子系统而专门设计的集成电路。因为数字系统的发展和广泛应用，当大家听到ASIC时，会默认为其为数字IC。其实不论它是模拟或数字的，或两者的混合，任何具有特定功能和特定用途的芯片都是一个ASIC。例如，ISP主要针对图像处理，完成图像噪声去除、坏点去除、白平衡、自动曝光控制等功能。由于其定制式的设计，在设计中可以根据电路的功能和性能的要求对电路中的基本原件，如与门，或门，开关电路，触发器等按照特定的方式排列，实现最小面积，最优功耗等设计优化，因此ASIC具有体积小、功耗低、可靠性提高、执行速度快等优点。有优点当然也有缺点，定制化的设计会使得一旦制造完成电路就固定，无法再更改。

ASIC芯片内部结构图

其次再看看什么是FPGA？

FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）本质也是一种ASIC，是一种包括可以配置逻辑模块、可配置连线资源的ASIC。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。由于其可配置和可编程的特点，我们当然可以进行编程实现相应的图像噪声去除、坏点去除、白平衡、自动曝光控制等功能，从而采用FPGA完成同样的图像处理功能。其灵活性解决了定制电路的不足，在修改和升级时，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性。可配置的带来的影响当然是功耗高、体积大、执行速度和可靠性方面较差一些。

FPGA内部结构图

从内部结构图中可以看出FPGA芯片内部更规整，基本单元有规律的平均分布在芯片内部，而ASIC芯片里面基本找不到相同的地方。打个比方，ASIC芯片就好比普通住宅，每种户型的户内格局与房间数不同，装修风格也完全不一样；而FPGA芯片就好比一个个由厂房仓库改建的LOFT，面积、风格全部一致。

“哎呀，有点扯远了，下面小兴就带着大家具体看看二者区别。”

ASIC和FPGA的基本单元不一样。ASIC内部各个功能模块的基本实现单元是与、或、非、触发器；FPGA基本单元为逻辑单元（由于每家的缩写不一样，所以统称逻辑单元）。一个逻辑单元包含了各种可配置单元（通过配置实现与、或、非逻辑）和触发器。ASIC芯片由于基本单元颗粒更小，单位面积利用率大大高于FPGA。                                        

ASIC基本单元示意图

FPGA基本单元示意图

设计流程不一样。ASIC设计流程需从数字前端、后端甚至模拟人员，开发周期长、风险大，而FPGA设计一个工具搞定所有问题。但是同样带来的问题是FPGA需要更严格设计规则，速度、面积、功耗等都不如ASIC效率高。

FPGA与ASIC设计流程对比

设计成本不同。ASIC芯片需要高昂的留片和封测等一次性工程费用，这就需要有一定的使用量来平摊这一成本；但从单个器件本身的角度讲，具有可配置的灵活性的FPGA较ASIC成本要高。这表示在大批量生产时ASIC具有成本低的优势，FPGA较适合应用使用量低的小产量应用场景。

可配置性。FPGA中的FP表示了Field Programmable，即现场可配置。这里小兴又要提到上面的例子，旧仓库或旧厂房改建的LOFT在房屋结构不变得条件下内部功能可以做出翻天覆地的变化。而买了一套普通住房之后基本上只能做些敲敲打打。话说回来，FPGA能做到现场可配置，也就是说上一刻FPGA是个CPU，下一刻FPGA就变成了一个ISP。对比FPGA，ASIC的可配置性为0，所以才需要更多的人员、更多的工具去保证设计无误。

应用场合。ASIC芯片一旦流片功能就无法改变，基本专片专用。而FPGA可配置特性就可以应用在功能会改变的场合，例如，原型验证，ASIC设计过程中会使用到FPGA来进行原型验证；功能升级，在产品中采用FPGA实现一些业内暂时还没成熟的解决方案，可以在后续功能变动时方便升级。

根据上述对比，我可以看出，在大批量生产和使用时，ASIC由于其体积小、功耗低、可靠性高、执行速度快等优点较为适合使用；在一些小众应用场景，在没有对应ASIC情况下，可使用FPGA替代ASIC；同时也因为FPGA的开发速度快，对于新兴产业，在还没有适用ASIC情况下，可以使用FPGA替代ASIC快速占领市场。当然因为二者之间的相似之处，在ASIC流片前，FPGA可以说是完成ASIC功能验证的不二之选。

话说没有对比就没有…..，哈哈哈，没有互相伤害了，小兴我就两者的特点给大家列出来，以方便大家可以更清楚的了解ASIC和FPGA。

先简单介绍这么多了，随着芯片制程工艺的不断发展，以及应用场景的多样化，ASIC和FPGA在产品应用中也呈现出多样化的趋势。例如，iPhone7中就已经集成了一颗FPGA芯片，在如此大出货量的产品中使用FPGA实属少见，究其原因如何网络上说法不一。这些待小兴我在后续的推送中再来分析。