IC基础(七)：FPGA为什么与ASIC频率差异巨大？

为什么ASIC的频率可以达到GHz，而FPGA只能达到几百MHz？

为什么实现同样的电路，ASIC 频率总是比 FPGA 要高？

简单来看这是FPGA在要求“可重构”的特性时对速度做出的妥协。

 

FPGA

FPGA为了满足可重构的特性，被设计成了一个岛状的逻辑块矩阵电路，每个逻辑块里又有很多个相同的子逻辑块，每个子逻辑块中有要实现任意电路的各种元素，比如LUT（逻辑查找表），用于组合逻辑的构成，和FF（flip-flop，即触发器）用于时序电路的构成。

逻辑块之间是布线管道，其中有各种固定长短的线（segment）和连接这些线的开关（switch）们。

 

ASIC

一块ASIC电路要实现一个逻辑电路，只需按照你的电路设计图纸按原样把电路刻在芯片上，里面加法器就是我们在数电课本中看到的加法器，乘法器就是所熟知的乘法器，导线也是熟悉的不能再熟悉的没有中断的一根金属线而已。

 

FPGA中的加法器和乘法器呢？

加法器可能已经不是你知道的那个加法器了（当然高端FPGA都有加法器的hard logic这个另算），它已经被FPGA综合工具变成了一堆LUTs，没错，就是前面所说的这些逻辑元素。乘法器同理。

FPGA中的导线呢？

不是一根不间断的直导线了，它首先要从一个逻辑块出发，先经过一个开关，进入布线管道，然后前面遇到了一个Switch Box（假设是Altera家的板子），也就是十字路口，经过十字路口中的开关跳转，它可能左拐了，然后又遇到一个SB，……几经周折，终于到了目的逻辑块的门口，又要经过一个开关，进入目的逻辑块和里面的逻辑元素相连，就这样构成一个可能再普通不过的加法器、乘法器，等等。

 

所以FPGA为什么频率肯定没有ASIC高你现在一定清楚了。

第一，实现同样的功能，FPGA需要更大的面积，在更大的面积的情况下，即使用纯导线，其导线总长度（或严格一点，critical path的导线长度）也要比ASIC的电路长。

第二，其实也是最重要的一点，就是布线结构（routing architecture）非常复杂，一条导线从a到b，一般总要经过几个开关，而这些开关都是有延时的，这个延时非常大，是FPGA频率不得提高的主要原因。

 

要使FPGA做到完全和ASIC速度一样快应该是不可能的，这是由它的可重构特性直接决定的。

但折中的办法不是没有，比如我前面提到hard logic，就是把一些通常使用频次很高的逻辑电路直接以ASIC的方式嵌入到FPGA里面，比如加法器乘法器等等，一旦要用到它们，也就不用再像以前那样用好多个逻辑块来造它了，这样就减小了面积、提高了速度、降低了功耗。现在高端一点的FPGA里面不仅有这些加法乘法器的小玩意，还有存储器，DSP，微处理器等等。它们的目的都是相同的，就是为了在保证可重构特性的情况下，尽量拉近与ASIC电路的距离，提高性能。