Fpga o Asic? Array strutturati fit-fast

I progettisti che desiderano realizzare un chip personalizzato devono tipicamente scegliere tra una realizzazione pratica che impiega circuiti integrati programmabili Fpga oppure tramite circuiti integrati Asic a celle standard. Una Fpga è di solito la soluzione più economica se il volume di produzione è basso, dal momento che i costi iniziali sono molto bassi, mentre il costo unitario è relativamente alto rispetto a un Asic. Il costo totale di un Asic è calcolato combinando il costo unitario, che è molto inferiore rispetto a un quello di una Fpga, con i costi fissi non ricorrenti come le maschere, il progetto del contenitore e lo sviluppo del sistema di collaudo. Parlando di costi opportunità, occorre anche considerare che le soluzioni Asic hanno tempi di consegna più lunghi. D'altro canto, realizzare un progetto sfruttando un Asic può migliorare le prestazioni e ridurre il consumo energetico rispetto a una sua realizzazione equivalente mediante Fpga. Si tratta di fattori che vanno attentamente presi in considerazione all'inizio di un progetto, per determinare se la soluzione migliore sia un Asic o un Fpga. La decisione finale sarà un compromesso “best-fit” tra i costi combinati di ingegnerizzazione e produzione, e l'importanza di fattori come il tempo di commercializzazione, le prestazioni del chip, il consumo energetico e le dimensioni del die. La scelta tra Fpga o Asic è più facile nei casi estremi: ove si richiedono bassi volumi ed è importante avere tempi di commercializzazione rapidi, l'Fpga è di solito l'opzione più adatta. Se i volumi sono elevati e sono accettabili tempi di risposta più lunghi, e se sono molto importanti fattori come il consumo energetico, un Asic può offrire la soluzione migliore. Per progetti che sono una via di mezzo, particolarmente in termini di volume di produzione, la scelta può essere più difficile. Alcuni produttori di Fpga potrebbero offrire un abbattimento dei costi trasferendo il progetto Fpga completo del cliente su un dispositivo “harder” simile a un Asic strutturato. Ma questa possibilità si rivela concreta solitamente solo per Fpga di fascia alta. Un nuovo tipo di array strutturato proposto da Toshiba offre oggi una soluzione migliore per circuiti integrati personalizzati prodotti in quantitativi più bassi rispetto a quelli normalmente richiesti per giustificare un Asic a celle standard. L'architettura Ffsa (Fit-Fast Structured Array) di Toshiba riduce i costi non ricorrenti anche di cinque volte rispetto a un Asic a celle standard, abbattendo al contempo i tempi di prototipazione a partire dal codice Rtl da circa 25 settimane a sole 5 settimane. Il costo unitario, la potenza e le prestazioni sono simili a quelle di un Asic a celle standard. Rispetto a una Fpga, d'atro canto, il corrispondente circuito integrato Ffsa può occupare fino all'80% in meno di spazio sul die, con un funzionamento fino a cinque volte più veloce e un consumo di potenza di appena il 10%.

Architettura configurabile innovativa
I circuiti integrati Ffsa di Toshiba si basano sulla tecnologia Mcsc (Metal-Configurable Standard-Cell). È una soluzione che permette di fabbricare dispositivi personalizzati su fette di substrato preprogettate e prefabbricate che contengono una logica ottimizzata e una struttura di memoria a blocchi come illustrato in Fig. 1. Questo gate array possiede una sua struttura interna di alimentazione, minimizza le dimensioni del die e riduce le distanze di interconnessione. A partire da questa piattaforma standardizzata, le porte sono configurate utilizzando quattro maschere metalliche e quattro strati di collegamento. L'array a celle dell'Ffsa occupa una minore superficie del silicio rispetto al nucleo di un Fpga basato su una tabella di associazione o Lut (Look Up Table), ed elimina inoltre l'ingombrante struttura di interconnessione dell'Fpga. La minimizzazione degli strati metallici necessari per configurare le porte aiuta significativamente a ridurre i costi non ricorrenti e i tempi di completamento del progetto rispetto a un tradizionale Asic a celle standard. Inoltre, essendo la piattaforma configurabile totalmente metallica, un circuito integrato Ffsa permette di ridurre considerevolmente i tempi di sviluppo dei prodotti derivati. Ciò permette ai team di progetto di produrre economicamente diversi circuiti integrati Asic quando occorre offrire caratteristiche differenziate e prodotti finali personalizzati per i diversi mercati geografici. La libreria di celle standard Ffsa supporta oltre 500 funzioni logiche. Le versatili risorse di memoria comprendono blocchi di memoria nativi a doppia porta / singola porta, configurabili in diverse profondità e larghezza, che offrono una flessibilità paragonabile a quella della memoria disponibile nelle Fpga. I circuiti integrati Ffsa offrono dei versatili Pll con un ampio intervallo di frequenze di lavoro. Gli ingressi e le uscite sono configurabili e contengono robusti strati fisici Ddr/Lvds e ricetrasmettitori SerDes configurabili che supportano una varietà di protocolli di uso comune. Le prime due famiglie di circuiti integrati Ffsa disponibili sono la serie SA5, e la serie SA5S, che supporta i ricetrasmettitori da 6,5 Gbit/s in aggiunta alle caratteristiche di base della serie SA5. Entrambe sono fabbricate con tecnologia di processo da 65 nm e integrano fino a 15,1 milioni di porte, 20,5 Mbits di Sram e oltre 1200 ingressi/uscite. Le geometrie da 65 nm, la struttura a cella dell'Ffsa, l'assenza della tabella di associazione e l'uso di collegamenti metallici diretti piuttosto che di un array di interconnessioni programmabili permettono di ottenere una significativa riduzione nelle dimensioni del die rispetto a una Fpga con geometrie da 40 nm. Toshiba ha in preparazione il lancio delle nuove serie SA6 e SA6S di Ffsa da 40 nm. Queste piattaforme integrano più porte logiche e più blocchi di memoria, e integrano inoltre ricetrasmettitori da 12,5 Gbit/s nella serie SA6S. Con uno sguardo al futuro, la serie Ffsa SA7 sarà realizzata con tecnologia di processo con geometrie da 28 nm.

Economicità con i volumi delle Fpga
I dispositivi Ffsa possono essere prodotti in contenitori compatibili a livello di pin con gli attuali circuiti integrati Fpga, offrendo quindi alla clientela un percorso di migrazione efficace per la riduzione dei costi e dei consumi energetici dei propri progetti, aumentando contemporaneamente le prestazioni. Sono garantiti funzionamento e temporizzazione del dispositivo, semplificando efficacemente la sostituzione dei circuiti integrati Fpga sulle schede attuali. Inoltre, questa migrazione graduale garantisce la compatibilità elettrica di ingressi e uscite, il che aiuta i progettisti a mantenere un'integrità di segnale a livello di sistema o di scheda. Vale anche la pena notare che la lista dei materiali tende a ridursi, dal momento che il basso consumo energetico dei dispositivi Ffsa ne diminuisce la dipendenza dai componenti termici come i dissipatori metallici. Per avere un confronto realistico, si consideri l'esempio di un circuito integrato personalizzato per un Fpga di fascia bassa con costo unitario di 13 dollari con 20.000 pezzi prodotti all'anno su un ciclo di vita di 10 anni. Il numero totale di pezzi ordinati suggerisce un costo totale di 2,6 milioni di dollari. Si consideri lo stesso progetto migrato su un equivalente Ffsa con costo unitario di 8 dollari. Grazie ai bassi costi non ricorrenti, pari a soli 0,3 milioni di dollari, il costo totale sull'intera vita del prodotto è pari a 1,6 milioni di dollari con un risparmio di 700.000 dollari. I risparmi su un progetto Fpga di fascia alta possono essere ancora maggiori. Un progetto di Fpga da 100 dollari, considerando 10.000 pezzi all'anno per cinque anni, avrà un costo totale di progetto di 5 milioni di dollari. Lo si paragoni ai 3,3 milioni necessari per realizzare lo stesso progetto con Ffsa da 60 dollari, con un costo fisso di 0,3 milioni. La soluzione Ffsa permette ai progettisti di sfruttare il minor consumo energetico e le maggiori prestazioni di un Asic a bassi volumi di produzione, dove non sarebbe economicamente conveniente utilizzare un classico Asic a celle standard.

Progettare con gli Ffsa
La Figura sotto descrive un tipico cronoprogramma di sviluppo di un Ffsa, dall'inizio del progetto alla consegna di unità di prodotto perfettamente collaudate. Le attività in blu sono di responsabilità del fornitore dell'Ffsa. Le attività in verde sono sotto il controllo del cliente. Il flusso di progetto illustrato utilizza metodologie già consolidate nel settore degli Asic, il che aiuta a garantire bassi rischi generali di progetto.

 

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Inoltre, i blocchi IP disponibili per supportare progetti Ffsa sono anche già stati collaudati in numerosi progetti Asic di successo e Toshiba amplia costantemente la sua gamma di blocchi funzionali pronti all’uso. Diverse Cpu, tra cui l'Arm Cortex-M3, varie interconnessioni Amba e interfacce comuni come Uart, Spi e I2C sono già disponibili. Le classiche interfacce seriali ad alta velocità e quelle fino a 10 Gb Ethernet sono tra gli standard di connessione supportati, mentre sono disponibili anche diverse funzioni Dsp, come un codec Aes, un controller grafico ad alta definizione, un trasmettitore V-by-One ad alta velocità e degli encoder H.264 720p/1080p.

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