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ASIC与 FPGA比较谈
专用集成电路(ASIC)采用硬接线的固定模式，而现场可编程门阵列 (FPGA)则采用可配置芯片的方
法，二者差别迥异。可编程器件是目前的新生力量，混合技术也将在未来发挥作用。
与其他技术一样，有关 ASIC 技术过时的报道是不成熟的。新的 ASIC 产品的数目可能有大幅度下降，
但其销售额仍然相当高，尤其是在亚太区。此外，采用混合式方法，如结构化 ASIC ，也为该技术注入了新
的活力。同时， FPGA( 和其他可编程逻辑器件)也在发挥作用，赢得了重要的大众市场，并从低端应用不断
向上发展。
每种技术都有它的支持者。一般来说，ASIC 用于大型项目，而对于需要快速投放市场且支持远程升级
的小型项目，FPGA 则更为适合。ASIC 和 FPGA 供应商对这两种技术孰优孰劣不能达成共识，对适合的
应用领域也持不同看法。上述技术及其衍生技术将可能在今后一段时间内长期存在。
Altera Corp 的高密度 FPGA 高级总监 David Greenfield 指出， FPGA 技术的主要优势仍是产品投放市
场的时间较短。他说：“在目前新增的设计方
案中，对 FPGA 的选择倾向超过 ASIC。ASIC 技术有其价值所在，它的性能、密度和单位容量都相当出
色，不过随着 FPGA 的发展和 ASIC 的开发成本不断上升，将会导致 ASIC 的市场份额不断缩小。 ”在上
述趋势之后发挥作用的，正是 FPGA 在性能、密度和制造成本上的发展。
Greenfield 指出，高性能曾经是 ASIC 超出 FPGA 的优势，当时 FPGA 在性能和功能上都较逊色。随
着芯片的制造工艺从 180nm 发展到 130nm 甚至 90nm ，上述情况发生了很大变化，现在 FPGA 的性能已
经能够满足大多数应用的需要（要求最高的应用除外），而密度水平则达到逻辑设计的 80% 。他解释说：
“某些系统设计师也认识到， ASIC 的市场领域在于极高性能 /密度的产品，这种市场领域风险非常大。 NRE
（非重复性工程设计）和开发成本对这种设备而言是最高的。 ”
Altera 指出，较早期的 FPGA 仅用于原型开发或低容量 /低密度应用，现在该技术已经在消费电子产品
中得到大规模使用， 也在高密度应用中得到一定应用。 Greenfield 指出， 最高密度的 FPGA (90 nm) 其单价
仍明显高于 ASIC 。他说：“但是，即便就最高密度的应用而言，当综合考虑到开发和 NRE 成本等因素后，
结果仍倾向于 FPGA 技术。”
德州仪器(TI)的 ASIC 工作以单元方式为主，为数量有限的大型客户服务。这些 ASIC 器件的平均门数
量通常为工业标准 ASIC 的五倍，主要应用在高度复杂、高容量的应用中。这些应用都要求对商用的网络
和电信技术有高度的差异化。
TI 的 ASIC 通讯基础设施业务部门硅技术设计师 John DiFilippo 指出： “以单元方式进行 ASIC 开发，
初始投资较高。但在高产情况下， ROI 会大幅改善，因为其芯片较小，单位成本降低。在成品单价不太重
要的情况下，或者是在产品上市时间较短，或初始投资较少的情况下， FPGA 则是更好的选择。 ”
DiFilippo认为 TI 的客户要求良好的性价比， 而对 FPGA 和结构式ASIC而言这种要求都是难以实现的。
FPGA 和结构式ASIC 更适于广阔的中间市场。他说： “FPGA和结构式ASIC 适于低容量、寿命较短的应
用，客户愿意在产品功能和性能方面有所牺牲，但要求仍能实现系统目标。 ”
不过，TI 对两种竞争的技术都认同。 TI 为单元型 ASIC 设备推出新的特性，使其能够提供类似门阵列
的灵活性，更短的循环实现，设备要求重新设计时还能实现更低的成本。 TI 还开发了 “平台式 ”ASIC 产品，
在多条客户产品线上都能加以利用，并指出其能够降低单位系统的开发成本。
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TI 认为，单元型 ASIC 方法最适于以下情况：

■ 门和存储位的数量超过 1 千万；
■ 千兆位连接数量较多；
■ 在最低功耗下，主时钟频率高于300 MHz ；
■ 对成本很敏感的应用。
可行的替代方法
Xilinx公司指出，关于 FPGA 能否成为ASIC 的可行替代方法以及相关标准器件的辩论持续了近十年。
Xilinx高级产品部门副总裁Erich Goetting 指出，尽管 FPGA 随时间发展取得了显著的进步，但直到不久
前，设计人员为实现高性能还必须采用大型昂贵的器件，在特定应用方面还需要DSP 、RISC 处理或高速
串行连接。
现在，Xilinx 提供新式的“领域优化平台 FPGA” (Virtex-4) ，可依据 ASMBL（模块）架构，针对应
用的功能要求和成本目标对芯片设计加以增减。Goetting 指出：“ ASMBL是硅技术子系统的模块化框架，
为针对不同应用领域快速而廉价地部署平台提供了新式的 FPGA开发方法。 ”举例来说，某种设计可能需要
高速 DSP 功能，但不一定需要高级逻辑。 有了 ASMBL架构，Virtex-4 可让用户根据具体设计选择逻辑、 DSP、
存储器和其他功能（以列编组）的适当搭配。有人指出，列式架构可实现最多 17 种器件选择，而且在“给
定价位”上能够提供更多功能。
Xilinx指出，由于 NRE 成本几乎不存在（通常由 FPGA 厂商分担）， FPGA 总体上拥有价格优势。
Goetting 指出：“ASIC 的开发成本迅速大幅上升，而随着 FPGA 平台的功能不断增加，这使竞争优势的天
平向 FPGA 倾斜。除了在模拟 /混合信号领域应用广泛外， ASIC 相对于 FPGA 再难以提供其他显著的功能
优势。 ”FPGA 在其他方面也可以节约成本，可通过软件下载来修正错误，并方便在添加新的功能时调试系
统性能。

图 1：图中所示的是半导体协会公布的 FPGA （可编程逻辑装置的一种）与 A S I C 的全球市场的增长率。
GE Fanuc Automa
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tion 认为，FPGA 的“真正优势”有两方面：一是能用可靠的标准部件迅速进行开发，而且可以方便地修改，
以添加新的特性；二是能在开发期间或在产品生命期内修正错误。GE Fanuc 高级工程师Richard Reed
指出，与 ASIC 不同的是，FPGA 作为内置标准还带有更多功能，如可测试性或 JTAG 接口，这可节约设
计时间和成本。
FPGA 加速了产品的推出。 Reed 指出：“大量采用标准部件，使得 FPGA 的价格相对于 ASIC 而言更
具竞争性。对于生命周期较长和产量较大的应用，有时将设计转化为 ASIC 专用芯片则更为合适。 ”
在 ASIC 的优势方面，Reed 指出，ASIC 加电后可立即运行，就单位逻辑大小而言封装选择更多，还
可包括某些模拟逻辑。与此相对比，FPGA 加载配置进入存储器需要时间，因此不能立即工作。此外，FPGA
的封装也较复杂。
成本/风险因素
Nallatech 公司是 FPGA 计算系统和软硬件开发商， 该公司承认 ASIC 就其设计所针对的特定功能类型
和专门应用而言实现了 “高性能水平 ”。但是， Nallatech 系统应用工程师 Craig Sanderson 指出，如果采用
ASIC 来实现高性能处理功能（如工业模拟、建模或成像）的话，那就会造成 “商业影响”。


图 2：FPGA 成功的应用于工业产品，例如， NI 的 CompactRIO 可重新配置的采集和控制系统中嵌入的
FPGA 芯片起了重要作用。 GE FANUC 的 P A CSystems RX3i 控制器也应用了 FPGA 技术。
Nallatech 同样认为， FPGA 避免了较高的 NRE 成本，也具有其他优势。 FPGA 的可重复编程性可实
现更灵活的开发路径，降低风险和成本。与此相反， ASIC 开发必须做到 “首次肯定正确 ”。而 FPGA 的现场
可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程序来修改芯片，而不是替换芯片。 FPGA 甚
至可通过因特网进行远程升级。 废弃控制 (Obsolescence control) 是指现有的 FPGA 应用设计作为新一代器
件再编译的可用资源。
就许多应用而言， FPGA 供应商都表示性能已与 ASIC 相当。 Sanderson 指出：“就高性能应用而言，
FPGA 提供了充足的资源，可实现与 ASIC 技术相当的功能，同时比标准处理器的性能高出很多。 ”
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由于 FPGA 的可重复编程，因此应用程序可在实际硬件中进行调试和检测。Sanderson 补充说：“就
ASIC 而言，所有检测都必须在进入物理实现 ASIC 硬件阶段之前仿真进行，如果到硬件阶段再发现问题就
太晚了。”
Gricha Raether 是 National Instruments (NI) 的工业控制和分布式 I/O 产品经理，他指出ASIC和 FPGA
早期用于大规模应用，如机器制造和OEM 型集成等，这有助于分摊传统上较高的开发成本。之所以成本
较高，他认为是上述器件的开发周期较长且设计人员需要掌握大量的有关开发工具的专业知识，特别是
ASIC 的设计工作和制造步骤更是需时不菲。
FPGA 产品设计完善，可以直接编程。他指出，就此而言，FPGA 将逐渐替代实际的集成电路。由于
FPGA 具备可定制的灵活性，因此供应商可能收取更多费用。设计 IC 封装和印制电路板会带来更多成本，
这对两种技术都一样，但 ASIC 尤其如此。
工业生命周期
Raether 认为，FPGA 对生命周期更长的工业产品也有利。这主要是由于该技术能根据新的版本进行
方便的再编程， 并可进行现场再编程。 他说：“采用 FPGA 技术的设计人员应考虑到可能需要的扩展和修改，
在选择 FPGA门的数量大小时应预作准备。 ”这就要求在实现功能所需要的门阵列的数量和芯片编程实现的
性能之间取得微妙的平衡，此外还要考虑到所需的“存储空间”。
Altera 也认为， FPGA 对生命周期更长的工业产品也 “非常有利”，尽管这种产品随着时间的推移销售量
会下降。 Greenfield 指出：“FPGA 工艺不需要最低预订数量，寿命更长，这是令其独树一帜的重要原因。
许多采用 ASIC 产品设计五年之久的工业客户现在都用 FPGA 来代替 ASIC 。”原因有很多，如 ASIC 要求
最低预订数量，很不灵活； ASIC 工艺技术已经过时，或者需要向无铅型芯片封装转换等。
工艺技术逐渐过时是芯片制造商必须面临的问题。 Greenfield 指出：“这一问题对 ASIC 公司而言尤其
严重，因为他们的客户群非常有限，而且很可能在困境中难以抽身。 ”
软件工具的作用
开发 FPGA 解决方案相当复杂，要求有适当的软件工具。 Nallatech 的 Sanderson 指出， FPGA 设计
工具正在不断改进，特别是那些应用高级
语言或接口进行应用开发的工具更是如此，如 Mathworks 提供的 MatLab/Simulink 。
他表示，高级语言对 FPGA 公司尤其重要， 因为这种语言能将必需的应用功能打包进一个或多个 FPGA
器件。Sanderson 指出，此前，这种功能必需在一个或多个 DSP 或微处理器上实现，而且还要加上一些固
定功能的 ASIC 来实现连接。近似而又不相同的硅技术方法
ASIC 和 FPGA 都是集成电路 (IC)，但又互有区别。专用集成电路 (ASIC) 如其名称所示，是专门满足
某种电子产品或系列产品的特定应用需求的硬接线硅芯片，用于各种消费电子产品和工业产品中。
现场可编程门阵列(FPGA) 是新兴的 IC 技术，包括成千上万个逻辑单元，通过可编程开关连接起来，
通过单元的逻辑互联来满足不同的设计要求。除了逻辑块之外， FPGA 的其他可编程元件为 I/O 块（作为
内部单线路和芯片外部引脚的接口）以及互联接口（将其他元件的 I/O 信号路由至适当的网络）。可重复
编程的功能是此类器件的最大优势。
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