Dlaczego FPGA są tak drogie?

Mam na myśli w porównaniu do układów scalonych (ASIC) o podobnej złożoności, prędkości itp. Porównajmy przełączniki Ethernet z układami FPGA Kintex (zauważ, że najdroższy przełącznik z listy jest około tak samo drogi jak najtańszy Kintex):

• Układy FPGA są dobrze ustrukturyzowanymi układami scalonymi (jak RAM). Można je łatwo skalować i rozwijać.
• Te narzędzia do projektowania ( Vivado , Quartus , itd.) Są zbyt drogie, więc myślę, że cena FPGA jest cena (IC) i rozwoju samego wyłączeniem kosztów wsparcia i narzędzi. (Niektórzy dostawcy spoza FPGA udostępniają bezpłatne narzędzia, których koszt opracowania obejmuje cenę IC).

Czy układy FPGA są produkowane w mniejszych ilościach niż inne układy scalone? A może jest jakieś uprząż technologiczna?

Układy FPGA obejmują zarówno logiczne, jak i programowalne połączenia między elementami logicznymi, podczas gdy układy ASIC obejmują tylko logikę.

Zdziwiłbyś się, ile miejsca w układzie scalonym jest poświęcone „strukturze połączeń” w układzie FPGA - to z łatwością 90% lub więcej układu. Oznacza to, że układy FPGA wykorzystują co najmniej 10-krotność obszaru chipa równoważnego ASIC, a obszar chipa jest drogi!

Wykonanie całego przetwarzania na danym waflu krzemowym kosztuje pewną kwotę, bez względu na to, ile jest na nim pojedynczych układów. Dlatego, według pierwszego przybliżenia, koszt układu jest wprost proporcjonalny do jego powierzchni. Jest jednak kilka czynników, które sprawiają, że jest gorzej. Po pierwsze, większe żetony oznaczają, że na początku wafla jest mniej użytecznych miejsc - wafle są okrągłe, żetony są kwadratowe, a wokół krawędzi traci się dużo powierzchni. Gęstości defektów wydają się być stałe na całej płytce, co oznacza, że ​​prawdopodobieństwo otrzymania chipa bez defektu (tj. „Wydajności”) spada wraz z jego wielkością.

Kolejnym kluczowym czynnikiem napędzającym koszty jest weryfikacja.

FPGA muszą być indywidualnie testowane przed sprzedażą. Ma to częściowo na celu zapewnienie, że wszystkie tysiące do kilku milionów połączeń wzajemnych i komórek logicznych będą działały. Weryfikacja obejmuje jednak także charakterystykę i podział na klasy prędkości - określenie, jak szybko krzem może działać, oraz że opóźnienia i opóźnienia propagacji wszystkich wielu połączeń i komórek są odpowiednio dopasowane do modeli czasowych dla jego gatunku.

W przypadku projektów ASIC testowanie jest zwykle prostsze - tak - nie, projekt działa zgodnie z oczekiwaniami. W związku z tym czas potrzebny na weryfikację jest prawdopodobnie znacznie krótszy, a zatem tańszy w wykonaniu.

Jest jeden (więcej) ważny punkt, który jest zwykle pomijany, technologia procesowa.

Układy FPGA, które mają duży udział w rynku, są wytwarzane przy użyciu najnowocześniejszych technologii. Mówiąc ściślej, układy FPGA Kintex-7 mają proces TSMC 28 nm, a ich wysyłkę rozpoczęto w 2011 r. ^[1] . TSMC rozpoczęło masową produkcję 28 nm w tym samym roku ^[2] .

[1] Xilinx dostarcza pierwsze 28 nm FPGA Kintex-7 (autor: Clive Maxfield, 03.21.11)

[2] Chang powiedział: „Nasza 28-nm weszła do produkcji seryjnej w ubiegłym roku i przyczyniła się do 2 procent przychodów z opłatek za 4 kw. 2011”.

Nie znam procesu przełączników Ethernet, ale większość firm projektowych ASIC nie stosuje najnowocześniejszych technologii. Nie ma to również sensu w odlewniach.

Poniższa tabela pokazuje przychody TSMC według technologii (1 kw . 18 ). Nawet w 2018 r. 39% przychodów pochodzi z technologii starszych niż 28 nm. Jeśli zastanowimy się nad liczbą układów, nietrudno wyobrazić sobie, że ponad połowa układów ASIC jest dziś produkowana przy użyciu technologii starszych niż 7-letni Kintex-7.

Podsumowując, technologia procesowa jest jednym z czynników, które powodują, że FPGA są droższe. Nie twierdzę, że jest to czynnik dominujący, ale wystarczająco znaczący, aby go rozważyć.

Zamierzam wyjść z równowagi i powiedzieć, że jest to zdominowane przez prostą podaż i popyt. Przełączniki Ethernet są produkowane masowo z ogromnymi korzyściami skali i sprzedają po obniżonych cenach w stosunku do układów, które nie są tak szeroko stosowane. Powiedziałbym, że układy FPGA nie są tak szeroko rozpowszechnione jak przełączniki Ethernet, więc kosztują więcej, ponieważ koszty rozwoju i infrastruktury są rozłożone na mniejszą liczbę klientów.

Tu nie chodzi o wielkość procesu ani wielkość matrycy ani nic podobnego. Zastanów się nad Xilinx Virtex-7 (tylko dlatego, że łatwiej mi było znaleźć dla niego dane) i porównajmy z kilkoma współczesnymi:

• Virtex7 (2011), 28 nm, ~ 6,8 miliarda tranzystorów, 2500 USD (popularne modele) do 35 000 USD (wyższe modele)
• NVIDIA Kepler GK110 (2012), 28 nm, ~ 7,1 miliarda tranzystorów, karty Tesla K20 ~ 3200USD w momencie premiery (cena chipa nieco mniejsza)
• XBoxOne SOC (2013), 28 nm, ~ 5 miliardów tranzystorów, 499 USD za cały XBox podczas premiery
• Xeon E5-2699 v3 [18 rdzeń] (2014), 22 nm, ~ 5,6 miliarda tranzystorów, ~ 4500 USD

Ogólnie rzecz biorąc, Virtex FPGA wydaje się w rozsądnej cenie (bardziej popularne modele) w porównaniu z innymi krzemami o podobnej liczbie tranzystorów, generacji i wielkości sprzedaży. XBox SOC wyróżnia się jako coś, co było szeroko stosowane w urządzeniach konsumenckich, a koszt jest również znacznie niższy.

Komputer NVIDIA GK110 był znacznie mniej rozpowszechniony niż podobne chipy konsumenckie, które trafiły do ​​kart do gier, i był podobnie droższy, nawet biorąc pod uwagę podobieństwa architektoniczne i fakt, że chipy zostały wykonane w tej samej fabryce.

Jeśli chodzi o układy Virtex, nie ma 10-krotnej różnicy w złożoności układów o wartości 2500 USD w porównaniu z układami o wartości 35 000 USD - te ostatnie są po prostu znacznie mniej popularne, a przy niższych wolumenach sprzedaży koszt jednostkowy jest koniecznie wyższy.

Rynek jest tego pełen. Wszystko, co możesz sprzedać sto milionów z ciebie, zawsze może być tańsze niż coś, co może sprzedać sto tysięcy.