ASIC、FPGA、DSP正處于并將長期處于競爭競合階段

在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，FPGA、ASIC、DSP三者不同的技術(shù)特征造就了它們不同的應(yīng)用領(lǐng)域，DSP在數(shù)字信號方面是絕對的霸主，ASIC是專業(yè)定制領(lǐng)域的牛人，而FPGA由于其價格高、功耗大，主要用于ASIC前端驗證和一些高端領(lǐng)域，在DSP和ASIC面前絕對屬于小弟。但近10年，這小弟特別努力，提高了半導(dǎo)體工藝水平，降低了功耗和芯片價格，此外由于其可編程，比較靈活，因此搶了 ASIC 不少的市場份額，還號稱ASIC終結(jié)者。但是他在成績面前不驕傲自滿，繼續(xù)努力，最近兩大FPGA廠商又都推出了帶DSP平臺的FPGA，開始行使起DSP的“職能”，把手伸到到了DSP的地盤。于是這哥仨掐起來了，美其名曰：沒有硝煙的戰(zhàn)爭。那么，未來FPGA能否終結(jié)ASIC？ASIC又將如何發(fā)揮自己的獨特魅力，應(yīng)對FPGA的挑戰(zhàn)？FPGA能否真的取代DSP？DSP又將如何從多方面尋求創(chuàng)新與突破？ASIC、DSP、 FPGA的未來究竟何去何從？且聽下面分解。雖然“百度一下，你就知道”，但還是得介紹一下這哥仨是干嘛的：

火線三兄弟：DSP 、ASIC、FPGA

先明確一個概念，DSP首先是Digital Signal Processing（數(shù)字信號處理），然后才是Digital Singnal Processor（數(shù)字信號處理器）。大家一定覺得數(shù)字信號處理多么復(fù)雜（我也覺得，小弟數(shù)學(xué)不好，怕算法），其實觀念是非常簡單的，就是一個轉(zhuǎn)換器。打個比方，你（原始數(shù)據(jù)）對自己的長相不太滿意，需要整容，從醫(yī)院南大門進(jìn)去，進(jìn)入手術(shù)室（數(shù)字信號處理器），里面有各種整容設(shè)備（算法），然后從北大門（不是后門）出來，出來的時候你就不是你了，變成了你想要的效果（新數(shù)據(jù)），要么瘦了，要么胖了，甚至有可能你就變成梁朝偉了，這就是數(shù)字信號處理。進(jìn)行數(shù)字信號處理的工具就叫數(shù)字信號處理器，DSP就在這種情況下閃亮登場了。下面進(jìn)行一些基本概念的介紹（特別枯燥，但是咱得知道）：DSP是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進(jìn)行高速實時處理的專用處理器，它采用的是哈佛設(shè)計，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲在兩個分開的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊，也就是說在執(zhí)行上一條指令的同時就可取出下一條指令，并進(jìn)行譯碼，這大大的提高了微處理器的速度。一個數(shù)字信號處理器在一塊不大的芯片內(nèi)包括有控制單元、運算單元、各種寄存器以及一定數(shù)量的存儲單元等等，在其外圍還可以連接若干存儲器，并可以與一定數(shù)量的外部設(shè)備互相通信，有軟、硬件的全面功能，因此其本身就是一個微型計算機。按照用途可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片，通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如我們最常用的TI公司的一系列DSP芯片屬于通用型DSP芯片;專用DSP芯片是為特定的DSP運算而設(shè)計的，更適合特殊的運算。在近20多年的時間里，DSP芯片的應(yīng)用已經(jīng)從軍事、航空航天領(lǐng)域擴大到信號處理、通信、雷達(dá)、消費等許多領(lǐng)域，被譽為信息社會革命的“旗手”。一聽這名字就知道DSP特別有前途。

之所以要一起介紹ASIC、FPGA，是因為他倆長得比較像，是“近親”。 首先介紹FPGA，F(xiàn)PGA（ Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路（ASIC設(shè)計分為全定制和半定制兩種，全定制設(shè)計是完全由設(shè)計師根據(jù)工藝，以盡可能高的速度和盡可能小的面積以及完全滿意的封裝、獨立地進(jìn)行芯片設(shè)計;半定制設(shè)計是一種基于庫元件的約束性設(shè)計，約束的主要目的是簡化設(shè)計、縮短設(shè)計周期，并提高芯片的成品率。由于單元庫和功能模塊電路愈發(fā)成熟，全定制已逐漸被半定制所取代。），F(xiàn)PGA既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。毫不夸張的講，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡單的74電路，都可以用FPGA來實現(xiàn)。

雖然FPGA在數(shù)字電路設(shè)計中無所不能，是個典型的“高帥富”，但這個小弟一開始可沒這么好的命，它是給老大哥ASIC打替補的。ASIC（Application SrIecific Intergrated Circuits）即專用集成電路，是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計、制造的集成電路，與通用集成電路相比具有體積更小、重量更輕、功耗更低、可靠性高、性能高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點。目前用FPGA/CPLD來進(jìn)行ASIC設(shè)計是最為流行的方式之一。我們知道，F(xiàn)PGA 開發(fā)流程大致為：選定器件，安裝軟件，設(shè)計輸入，代碼調(diào)試（包括管腳定義、時序定義、時序分析），設(shè)計仿真（功能仿真、時序仿真）和下載調(diào)試。而ASIC 是為客戶定制的芯片，在ASIC 設(shè)計過程中，往往要用到FPGA 進(jìn)行原型驗證。FPGA 驗證是進(jìn)行ASIC 設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，可以這么說，完成FPGA 驗證就完成了ASIC 整套流程的50~80%。

但是現(xiàn)在FPGA這個小弟特別有志氣，慢慢長大了，他開始打主力，排擠老大哥，在非常多的產(chǎn)品里都能看到他。這里有幾個原因，首先一個原因是價格。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，硅器件的單位面積制造成本迅速降低，這對FPGA是好事兒，F(xiàn)PGA 廠商采用新工藝使得成本不斷下降;但對ASIC就不一定了，隨著設(shè)計復(fù)雜性的增加，ASIC 的非重復(fù)性工程（NRE）費用、最少訂購數(shù)量以及開發(fā)工具套件的費用都在上漲，如果某一天，F(xiàn)PGA 廠商再把利潤釋放出來一些，可以想象ASIC的日子肯定不好過。第二，它可以反復(fù)擦寫。FPGA開發(fā)效率要比ASIC 要快很多，產(chǎn)品也可以早點賣出去。另外你還可以利用它的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路，可以去給已經(jīng)賣給別人的東西更新，變成更好的東西，而如果這個時候你面對的是你設(shè)計的ASIC，你只好哭吧。第三，就好像廣告里面說的：方便，真方便~~

FPGA與DSP、ASIC：競爭還是競合？

首先咱們先聽聽專家們的意見，下面這張圖業(yè)界專家們對于這哥仨的看法。目前來看，ASIC、FPGA、DSP各自都有各自的優(yōu)勢，沒有誰比誰更牛。

ASIC在這些領(lǐng)域具有壓倒性的優(yōu)勢：“機頂盒的編解碼器芯片、無線應(yīng)用的RF芯片、高檔汽車電子芯片等具體方面，ASIC的優(yōu)勢明顯，尤其是市場成熟的消費電子領(lǐng)域，ASIC具有無可比擬的優(yōu)勢”。但是ASIC有一個致命的缺陷：為客戶專門定制，所以的成本全部由自己來承擔(dān)，若量產(chǎn)達(dá)不到一定的規(guī)模就虧了，成本壓力，你懂的。

DSP也具有壓倒性的優(yōu)勢的領(lǐng)域：“隨著無線通信的數(shù)字化，數(shù)字基站和數(shù)字手機得到空前的發(fā)展。作為數(shù)字信號處理的核心引擎，DSP曾經(jīng)獨領(lǐng)風(fēng)騷。在視頻和音頻的數(shù)字化進(jìn)程中，DSP首當(dāng)其沖地實現(xiàn)了數(shù)字化音頻和視頻壓縮編碼和解碼，從而很大程度上率先改變了人們的生活方式”。DSP在信號處理領(lǐng)域還是那么橫，但他也有壓力，那就是FPGA越來越牛了。當(dāng)然了，F(xiàn)PGA里的一個乘法器無法和DSP里的乘法器相比，但是架不住人多吧，我用100個，200個，400個同時（大家要知道FPGA是并行的）運算呢？所以，這個壓力是必須可以有的。

FPGA呢，有點萬金油的意思，ASIC、DSP能干的他都能干，但請注意，萬金油不是萬能，更不是無敵，目前來說他有這兩個比較大的缺點：功耗高、成本高。撇開ASIC不談（個人認(rèn)為，在某種程度上FPGA基本可以代替ASIC），現(xiàn)在音視頻處理、移動通信甚至整個通信行業(yè)流行的解決方案都是FPGA+DSP，其中FPGA做邏輯控制，DSP做浮點算法。如果算法不是很占資源，可以直接用FPGA來做（FPGA里面有DSP模塊，即乘法器）;如果算法很占資源，也可以直接用FPGA來做，倆字：燒錢，所以如果你不是富二代，還是乖乖的用FPGA+DSP吧。小弟比較喜歡FPGA（可能是害怕算法），所以期待他哪天能打敗DSP，一統(tǒng)信號處理天下！

對于這哥仨的關(guān)系，尹勇生老師總結(jié)得特別唯物主義：“使用辯證的觀點，哪一個都不會真正替代被另一個所替代”。小時候老師教過我們：我國正處于并將長期處于在社會主義初級階段，小時候老師還教過我們要學(xué)會舉一反三，今天小弟也大膽活學(xué)活用一會：ASIC、FPGA、DSP正處于并將長期處于競爭競合階段，各領(lǐng)風(fēng)騷好幾年！