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Comparación de FPGA, ASIC estructurado y ASIC basado en células

Cada tipo de solución lógica personalizada ofrece sus propias ventajas según la combinación de flexibilidad, consumo de energía, desempeño, tiempo de llegada al mercado y los requisitos del costo total de propiedad.

Tipos de hardware lógico personalizado:

  • Las FPGA son reprogramables, ofrecen un buen equilibrio de flexibilidad, desempeño y energía; a menudo tienen el costo de desarrollo más bajo y el tiempo de llegada al mercado más rápido y generalmente pueden adaptarse rápidamente a los requisitos del cliente y al mercado cambiante.

  • Los ASIC estructurados ofrecen una energía de núcleo hasta un 50 % menor, con un costo de unidad generalmente menor en comparación con las FPGA, y un tiempo más rápido de tiempo de llegada al mercado y una reducción de NRE en comparación con los ASIC basados en celdas.

  • Los ASIC basados en celdas a menudo tienen el costo por unidad más bajo, el consumo de energía más bajo y el desempeño más rápido, pero por lo general, vienen con un costo de NRE inicial bastante más alto y un ciclo de diseño más largo y con más consumo de recursos en comparación con los ASIC estructurados.

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La aceleración de hardware, particularmente en forma de lógica personalizada, está ayudando a las redes inalámbricas, los proveedores de servicio de nube y otras empresas a satisfacer las crecientes necesidades de desempeño, menor energía y menor costo total de propiedad. Los servicios inalámbricos de alto ancho de banda, por ejemplo 5G, requieren velocidades de reloj más altas en un presupuesto de energía limitado.

En las primeras etapas, los productos programables para equipos inalámbricos proporcionan ventajas de diseño sobre el hardware fijo para acelerar ciertas funciones, especialmente a medida que las redes continúan evolucionando. En los centros de datos en la nube, la lógica personalizada puede acelerar los algoritmos relacionados con el almacenamiento, la seguridad y otras funciones. Las aplicaciones de perímetro e integradas pueden aprovechar la aceleración para la inferencia de la IA. La aceleración también puede apoyar la transición a los estándares de video de alta definición de 8K más recientes con presupuestos térmicos desafiantes.

Cuando se trata del diseño de hardware, los arquitectos de sistema tienen varios tipos de soluciones lógicas personalizadas para elegir. FPGA, ASIC estructurados y ASIC son parte de la lógica personalizada continua. Para equilibrar las necesidades de flexibilidad, desempeño, energía y costo total de propiedad, así como el tiempo de llegada al mercado, los arquitectos tendrán que elegir el tipo de hardware que mejor se adapte a sus circunstancias.

FPGA

Las matrices de puertas programables en campo (FPGA) son circuitos integrados con un tejido de hardware programable. El circuito dentro de una FPGA está diseñado para implementar una amplia variedad de funciones diferentes y puede programarse para realizar estas funciones según sea necesario. Como resultado, las FPGA generalmente son una excelente opción cuando se trata de flexibilidad y un rápido tiempo de llegada al mercado.

Los clientes prefabrican y programan las FPGA en sus laboratorios o en el campo. No requieren un costo de ingeniería no recurrente (NRE, por sus siglas en inglés) y pueden ayudar a los innovadores a tener una llegada al mercado extremadamente rápida. Esto hace que las FPGA sean una gran opción para la diferenciación en un entorno que cambia rápidamente.

ASIC

A medida que evolucionan las nuevas características, puede ser más económicos y tener más eficiencia energética para endurecer los diseños de los circuitos integrados. Los circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC, por sus siglas en inglés) se crean específicamente con un propósito y se producen en masa para una función específica. A diferencia de las FPGA, no pueden reprogramarse y requieren una inversión importante de NRE.

Con un ASIC estándar basado en celdas, cada capa del circuito integrado se debe personalizar. Esto requiere equipos de diseño especializado y herramientas de software que diseñen para la función deseada, y que realicen inversiones importantes en el diseño para el desarrollo de la arquitectura de prueba (DFT) para asegurarse de que el diseño se pueda fabricar y tenga una buena calidad.

ASIC estructurados

Un ASIC estructurado es un paso hacia adelante entre una FPGA y un ASIC basado en celdas. Los ASIC estructurados comienzan con una matriz base común con lógica, memoria, E/S, transceptores y un sistema de procesador físico. Los diseñadores solo necesitan personalizar la interconexión, para esto deben omitir muchos de los pasos que tienen que ver con el flujo de diseño de ASIC basado en celdas, y en su lugar, deben centrarse en la implementación de la funcionalidad personalizada que se desea. En esencia, un ASIC estructurado ofrece un consumo de energía más bajo con un costo de unidad más bajo en comparación con las FPGA, y un tiempo de llegada al mercado más rápido con NRE inferior en comparación con los ASIC basados en celdas.

¿Qué elegir y cuándo?

Los diseñadores y los arquitectos de sistemas deben mantener un equilibrio entre la flexibilidad, el desempeño, el consumo de energía y el costo total de propiedad con los requisitos de tiempo de llegada al mercado para hacer una selección de la solución de tecnología de lógica personalizada.

Desempeño y consumo de energía

Para maximizar el desempeño por vatio, los ASIC basados en celdas pueden ser la mejor opción a expensas de una mayor inversión NRE inicial y de ciclos de diseño más largos en comparación con los dispositivos de ASIC estructurados o FPGA. Con esta opción, también se supone que el producto no necesita poder ser reprogramable ni cambios en los algoritmos durante el ciclo de vida del producto.

Costos de producción y desarrollo

Para los proyectos relacionados con los costos de desarrollo, es probable que los ASIC estructurados o las FPGA sean las mejores opciones. Aunque un ASIC tiene el costo de fabricación más bajo por unidad, tiene el costo NRE más alto, por lo que esta opción solo puede tener sentido para diseños para los que se planea tener mucho más volumen de producción. Los diseños de FPGA generalmente no requieren costos NRE iniciales y se pueden escalar desde cientos a cientos de miles de unidades. Gracias al flujo de diseño y la personalización simplificados, un ASIC estructurado tiene un costo de desarrollo más bajo en comparación con los ASIC basados en celdas en nodos de proceso similares y puede ser un enfoque económico para ahorrar costos y energía en menor volumen.

Tiempo de llegada al mercado

Los proyectos que consideran importante el tiempo de llegada al mercado, por encima de todos los demás factores, deberían considerar primero las FPGA. Según la complejidad del diseño, se puede tardar semanas o meses en diseñar una FPGA. Un ASIC estructurado se tarda entre seis y nueve meses, según la complejidad, y un ASIC basado en celdas requiere alrededor de 18 a 24 meses.

Planificación de una ruta de migración

Al implementar soluciones lógicas personalizadas, es importante tener en cuenta la posible ruta de migración desde un tipo de tecnología de lógica personalizada a otro para satisfacer las necesidades del ciclo de vida, desde la creación de prototipos y las primeras etapas de la producción a la producción en masa. Un diseño iniciado en FPGA podría endurecerse en un ASIC estructurado o una ASIC basado en celdas. Asimismo, los arquitectos de sistemas pueden migrar de un ASIC estructurado a uno basado en celdas para aumentar de forma masiva el volumen.

Sin embargo, migrar de un tipo de hardware a otro podría requerir cambios, no solo a la placa de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés), sino también a la propiedad intelectual, así como al desarrollo de software asociado y procesadores. Estos cambios agregan tiempo y costo a la transición.

FPGA Intel®, ASIC estructurados y ASIC basados en celdas

Usar varios proveedores del desarrollo de ASIC basado en celdas, ASIC estructurado y FPGA puede conducir a desafíos con la compatibilidad y la traducción del diseño de un proceso de desarrollo a otro, lo que aumenta el tiempo de llegada al mercado.

Intel ofrece un continuo completo de soluciones de lógica personalizadas, optimiza la migración y reduce la cantidad de retrabajo posible. Ahora los diseñadores tienen una selección de soluciones para optimizar los requisitos de flexibilidad, energía, desempeño, costo y tiempo de llegada al mercado para cada proyecto y a lo largo de la vida útil del producto. Las FPGA Intel® ofrecen un tiempo de llegada al mercado rápido con la mayor flexibilidad. Los ASIC estructurados Intel® eASIC™ reducen el consumo de energía y los costos por dispositivo, con lo que ofrecen un NRE más bajo y un tiempo de llegada al mercado más rápido que los ASIC basados en celdas.

Esta selección mejorada también se admite con procesadores físicos y sistemas de seguridad compatibles que se utilizan de las FPGA Intel® y las soluciones de paquetes personalizados. Estos permiten que los fabricantes eviten los costosos esfuerzos de rediseñar la PCB.

Intel® FPGA

Los productos Intel® FPGA abarcan una variedad de familias, como las bien recibidas series Intel® Agilex™ e Intel® Stratix®. Intel® FPGA está construida para una alta velocidad con un pequeño consumo de energía y ayuda a los arquitectos de sistemas a mantenerse dentro de las limitaciones de desempeño, energía y precio, al tiempo que logran un tiempo de llegada al mercado rápido. Y ya que comparten la IP común con los ASIC estructurados más recientes de Intel®, estas FPGA ofrecen ventajas como punto de partida para los diseños que podrían migrar a un ASIC estructurado en el futuro.

Dispositivos Intel® eASIC™

Los dispositivos Intel® eASIC™ son ASIC estructurados diseñados para ayudar a reducir los costos por unidad y de energía, en relación con las FPGA con menor NRE y un tiempo de llegada al mercado más rápido, en comparación con los ASIC basados en celdas.

Intel® eASIC™ N5X agrega, por primera vez, un sistema de procesador físico de cuatro núcleos y un administrador de dispositivo seguro, adaptado de FPGA Intel® Agilex™.

Las interfaces, incluido JESD204 ADC/DAC, y los protocolos de conectividad, incluidos de Ethernet de 10/25 G, están disponibles para dispositivos Intel® FPGA e Intel® eASIC™ N5X para que sea más fácil migrar el diseño.

Dispositivos Intel® easicopy™

Los dispositivos Intel® easicopy™ permiten la transición a una producción con mucho volumen para facilitar la vía desde ASIC estructurados a basados en celdas. Estos dispositivos funcionan implementando el diseño del cliente en las compuertas de celdas estándar, pero tomando la IP de E/S, el transceptor y el procesador, de las familias ASIC estructuradas.

Herramientas para desarrolladores

Además de del hardware, Intel ofrece software y herramientas para desarrolladores. Las herramientas como el Software Intel® Quartus® Prime Pro Edition ayudan a reducir el tiempo y el costo de los diseños de las FPGA.

Las eTools Intel® eASIC™ ofrecen un marco de conversión y validación de diseño utilizando una combinación de herramientas de terceros desarrolladas internamente y según las normas de la industria. Esto incluye bibliotecas de síntesis y simulación, envoltorios de IP para implementar funciones eASIC, como también guiones de validación de código y ejecución de herramientas de síntesis y simulación de terceros. El software Intel® Quartus® Platform Designer se utiliza para la configuración del sistema con procesadores duros. DSP Builder for Intel® FPGAs también puede producir código RTL preparado para eASIC™ y FPGA.

Con una cartera diversa de sistemas de silicio, Intel permite que los arquitectos de sistemas diseñen soluciones increíblemente personalizadas. Solo Intel® proporciona procesadores Intel® Xeon®, FPGA Intel®, ASIC y nuevos dispositivos de ASIC estructurado. Esta diversidad comprende una lógica personalizada continua que permite que los arquitectos satisfagan sus necesidades únicas de tiempo de llegada al mercado, desempeño, energía y costo.

Preguntas frecuentes

Las FPGA y los ASIC, ya sean estructurados o basados en celdas, pueden albergar los mismos tipos de aplicaciones, por ejemplo, aceleración en redes inalámbricas o almacenamiento en la nube. Las diferencias aparecerán con la flexibilidad para adaptarse a los requisitos en evolución, el desempeño y la eficiencia energética, como también el costo y el tiempo de desarrollo.

Las FPGA son ideales cuando se lucha para lograr el tiempo de llegada al mercado más rápido o si se planea que el hardware se reprograme para realizar una función diferente en el futuro. Un ASIC estructurado es una mejor opción cuando la funcionalidad es fija y no se cambia, y a la vez, el consumo de energía y el costo por unidad más bajo son más importantes.

Cuando una funcionalidad puede ser fija, puede tener sentido, desde una perspectiva de energía, desempeño y costo; migrar de una FPGA a un ASIC estructurado.

Los ASIC estructurados y los basados en celdas tienen un costo por unidad más bajo que las FPGA. También ofrecen un mayor desempeño y un consumo de energía más bajo que las FPGA. El sacrificio es un gasto adicional de NRE, ciclos de desarrollo bastante más largos y no poder reprogramar como se hace con las FPGA.