智造｜三足鼎立，FPGA、ASIC、DSP全面大比拼

在相当长的一段时间内，FPGA、ASIC、DSP三者不同的技术特征造就了它们不同的应用领域，DSP在数字信号方面是绝对的霸主，ASIC是专业定制领域的牛人，而FPGA由于其价格高、功耗大，主要用于ASIC前端验证和一些高端领域，在DSP和ASIC面前绝对属于小弟。但近10年，这小弟特别努力，提高了半导体工艺水平，降低了功耗和芯片价格，此外由于其可编程，比较灵活，因此抢了 ASIC 不少的市场份额，还号称ASIC终结者。但是他在成绩面前不骄傲自满，继续努力，最近两大FPGA厂商又都推出了带DSP平台的FPGA，开始行使起DSP的“职能”，把手伸到到了DSP的地盘。于是这哥仨掐起来了，美其名曰：没有硝烟的战争。那么，未来FPGA能否终结ASIC?ASIC又将如何发挥自己的独特魅力，应对FPGA的挑战?FPGA能否真的取代DSP?DSP又将如何从多方面寻求创新与突破?ASIC、DSP、 FPGA的未来究竟何去何从?且听下面分解。虽然“百度一下，你就知道”，但还是得介绍一下这哥仨是干嘛的：

火线三兄弟：DSP 、ASIC、FPGA

先明确一个概念，DSP首先是Digital Signal Processing(数字信号处理)，然后才是Digital Singnal Processor(数字信号处理器)。大家一定觉得数字信号处理多么复杂(我也觉得，小弟数学不好，怕算法)，其实观念是非常简单的，就是一个转换器。打个比方，你(原始数据)对自己的长相不太满意，需要整容，从医院南大门进去，进入手术室(数字信号处理器)，里面有各种整容设备(算法)，然后从北大门(不是后门)出来，出来的时候你就不是你了，变成了你想要的效果(新数据)，要么瘦了，要么胖了，甚至有可能你就变成梁朝伟了，这就是数字信号处理。进行数字信号处理的工具就叫数字信号处理器，DSP就在这种情况下闪亮登场了。下面进行一些基本概念的介绍(特别枯燥，但是咱得知道)：DSP是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，它采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠，也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译码，这大大的提高了微处理器的速度。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，因此其本身就是一个微型计算机。按照用途可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片，通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如我们最常用的TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片;专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算。在近20多年的时间里，DSP芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域，被誉为信息社会革命的“旗手”。一听这名字就知道DSP特别有前途。

之所以要一起介绍ASIC、FPGA，是因为他俩长得比较像，是“近亲”。 首先介绍FPGA，FPGA( Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路(ASIC设计分为全定制和半定制两种，全定制设计是完全由设计师根据工艺，以尽可能高的速度和尽可能小的面积以及完全满意的封装、独立地进行芯片设计;半定制设计是一种基于库元件的约束性设计，约束的主要目的是简化设计、缩短设计周期，并提高芯片的成品率。由于单元库和功能模块电路愈发成熟，全定制已逐渐被半定制所取代。)，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现。

虽然FPGA在数字电路设计中无所不能，是个典型的“高帅富”，但这个小弟一开始可没这么好的命，它是给老大哥ASIC打替补的。ASIC(Application SrIecific Intergrated Circuits)即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路，与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可靠性高、性能高、保密性增强、成本降低等优点。目前用FPGA/CPLD来进行ASIC设计是最为流行的方式之一。我们知道，FPGA 开发流程大致为：选定器件，安装软件，设计输入，代码调试(包括管脚定义、时序定义、时序分析)，设计仿真(功能仿真、时序仿真)和下载调试。而ASIC 是为客户定制的芯片，在ASIC 设计过程中，往往要用到FPGA 进行原型验证。FPGA 验证是进行ASIC 设计的重要环节，可以这么说，完成FPGA 验证就完成了ASIC 整套流程的50~80%。

但是现在FPGA这个小弟特别有志气，慢慢长大了，他开始打主力，排挤老大哥，在非常多的产品里都能看到他。这里有几个原因，首先一个原因是价格。随着半导体制造技术的进步，硅器件的单位面积制造成本迅速降低，这对FPGA是好事儿，FPGA 厂商采用新工艺使得成本不断下降;但对ASIC就不一定了，随着设计复杂性的增加，ASIC 的非重复性工程(NRE)费用、最少订购数量以及开发工具套件的费用都在上涨，如果某一天，FPGA 厂商再把利润释放出来一些，可以想象ASIC的日子肯定不好过。第二，它可以反复擦写。FPGA开发效率要比ASIC 要快很多，产品也可以早点卖出去。另外你还可以利用它的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路，可以去给已经卖给别人的东西更新，变成更好的东西，而如果这个时候你面对的是你设计的ASIC，你只好哭吧。第三，就好像广告里面说的：方便，真方便~~

FPGA与DSP、ASIC：竞争还是竞合?

首先咱们先听听专家们的意见，下面这张图业界专家们对于这哥仨的看法。目前来看，ASIC、FPGA、DSP各自都有各自的优势，没有谁比谁更牛。

ASIC在这些领域具有压倒性的优势：“机顶盒的编解码器芯片、无线应用的RF芯片、高档汽车电子芯片等具体方面，ASIC的优势明显，尤其是市场成熟的消费电子领域，ASIC具有无可比拟的优势”。但是ASIC有一个致命的缺陷：为客户专门定制，所以的成本全部由自己来承担，若量产达不到一定的规模就亏了，成本压力，你懂的。

DSP也具有压倒性的优势的领域：“随着无线通信的数字化，数字基站和数字手机得到空前的发展。作为数字信号处理的核心引擎，DSP曾经独领风骚。在视频和音频的数字化进程中，DSP首当其冲地实现了数字化音频和视频压缩编码和解码，从而很大程度上率先改变了人们的生活方式”。DSP在信号处理领域还是那么横，但他也有压力，那就是FPGA越来越牛了。当然了，FPGA里的一个乘法器无法和DSP里的乘法器相比，但是架不住人多吧，我用100个，200个，400个同时(大家要知道FPGA是并行的)运算呢?所以，这个压力是必须可以有的。

FPGA呢，有点万金油的意思，ASIC、DSP能干的他都能干，但请注意，万金油不是万能，更不是无敌，目前来说他有这两个比较大的缺点：功耗高、成本高。撇开ASIC不谈(个人认为，在某种程度上FPGA基本可以代替ASIC)，现在音视频处理、移动通信甚至整个通信行业流行的解决方案都是FPGA+DSP，其中FPGA做逻辑控制，DSP做浮点算法。如果算法不是很占资源，可以直接用FPGA来做(FPGA里面有DSP模块，即乘法器);如果算法很占资源，也可以直接用FPGA来做，俩字：烧钱，所以如果你不是富二代，还是乖乖的用FPGA+DSP吧。小弟比较喜欢FPGA(可能是害怕算法)，所以期待他哪天能打败DSP，一统信号处理天下!

对于这哥仨的关系，尹勇生老师总结得特别唯物主义：“使用辩证的观点，哪一个都不会真正替代被另一个所替代”。小时候老师教过我们：我国正处于并将长期处于在社会主义初级阶段，小时候老师还教过我们要学会举一反三，今天小弟也大胆活学活用一会：ASIC、FPGA、DSP正处于并将长期处于竞争竞合阶段，各领风骚好几年!

来源：Research

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