Dlaczego FPGA są tak drogie?

29

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?

betontalpfa
źródło
4
Myślę, że ktoś zrobił doktorat praca magisterska z zakresu nauk o biznesie na ten temat. To nie jest pytanie techniczne, to raczej pytanie biznesowe, które polega na porównaniu technologicznym jabłek z pomarańczami. Główną zasadą jest - narzędzia programistyczne (produkty) są zawsze droższe niż produkty konsumenckie - z różnych powodów, od szacowania przychodów / kosztów i zapotrzebowania rynku oraz dostępności konkurencyjnych (funkcjonalnych) produktów.
Anonimowy
7
Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad wysokiej klasy układem FPGA i wszystkimi jego funkcjami? Sprawienie, by wszystko działało dobrze razem i przewidywało możliwe interakcje, wcale nie jest trywialne. Podobnie złożony ASIC jest również drogi jak diabli w tych samych liczbach, a ASIC staje się tańszy, gdy jest sprzedawany w wielu milionach. A twoje porównanie jest dość niesprawiedliwe, ponieważ przełączniki ethernetowe na ogół nie zawierają prawie tyle złożoności co FPGA ze wszystkimi PLL i kondycjonowaniem sygnału oraz tysiącami pinów GPIO.
PlasmaHH
6
Nie rozumiem porównania. Fpga kosztuje od 80 centów do 50000 $ - w zależności od wielkości i funkcji. Przełączniki Ethernet zaczynają się od 20 dolarów i rosną co najmniej o sto tysięcy dolarów, zależnie od wielkości i funkcji.
asdfex
2
Jako osoba współpracująca zarówno z układami FPGA, jak i ethernetowymi: dlaczego to twoje dwa punkty danych?
DonFusili
3
Przykro mi, że jestem surowy, ale: „Układ, który może zrobić wszystko, jest droższy niż układ, który może zrobić tylko jedną rzecz”. Jak to w ogóle pytanie?
Agent_L,

Odpowiedzi:

60

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.

Dave Tweed
źródło
3
Z pewnością ASIC będzie wymagał pewnego poziomu połączenia wewnętrznego. Myślę, że masz na myśli, że FPGA ma wiele połączeń, przewodów i towarzyszących przełączników, które trafiają do miejsc, które niekoniecznie są potrzebne, podczas gdy układy ASIC są zbudowane tylko z tymi, których potrzebujesz.
user71659,
1
Układy FPGA prawdopodobnie wymagają dłuższego czasu testowania, a czas testu nie jest tani.
Nick Alexeev
3
@awjlogan Nie z nowoczesnymi ogromnymi opłatkami - AFAIK używają procesu „krok i powtórz” .
Tom Carpenter
5
@HarrySvensson: Z definicji pliku Jargon dla nanoacre : „Jednostka (około 2 mm kwadratowych) nieruchomości na chipie VLSI. Termin ten zyskuje na chichotach, ponieważ nanoakry VLSI mają koszty w tym samym zakresie, co prawdziwe akry raz jedna z nich to koszty projektowania i produkcji ”. Tak było od bardzo dawna.
Dave Tweed
1
Wszystko, co powiedziano i zrobiono, faktyczna fizyczna matryca wychodząca z fab nie jest naprawdę tak droga, zawsze przeszkadza mi, że duży układ scalony ma tendencję do kosztowania ułamka pakietu, w którym się pakuje. W przypadku, gdy obszar staje się naprawdę drogi, uzyskuje się wydajność. Wafel ma wady, a układy scalone, które mają wartość 100 wafla, byłyby 10 razy bardziej podatne na awarię z powodu wady niż układy scalone, które mają 1000 wafla. Nie wspominając o dodatkowych wydatkach związanych z testowaniem i inżynierią, które się z nimi wiążą. FPGA może być ograniczona siatką, czyli maksymalnym rozmiarem dozwolonym przez technologię, przy> 25 mm x 25 mm, podczas gdy wspólny układ scalony będzie wynosił tylko ~ 4 mm ^ 2.
Edgar Brown
21

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.

Tom Carpenter
źródło
1
Układy ASIC są zwykle testowane za pomocą łańcucha skanowania. Nie widzę powodu, dla którego nie byłoby to możliwe w przypadku układów FPGA. Istnieją również układy ASIC, które są indywidualnie kalibrowane i testowane w różnych temperaturach i nadal sprzedają się za kilka dolarów.
Michael,
2
W przypadku ASIC prawidłowe działanie jest już zdefiniowane - w przypadku FPGA potrzebujesz go poprawnie NIEZALEŻNIE od tego, jak to jest zdefiniowane (użytkownik) ....
rackandboneman,
ASICS i inne układy są testowane i często łączone w grupy pod kątem szybkości. Zaakceptowałbym to jako uzasadniony argument, gdyby ktokolwiek był w stanie podać nawet przybliżone liczby na jak długo FPGA musi siedzieć na stanowisku testowym w porównaniu do innych typów układów. Moją intuicją jest to, że nawet jeśli potrzebne są dłuższe testy, reszta procesu produkcyjnego jest prawdopodobnie dominująca pod względem udziału w kosztach produkcji. Aby utrzymać przepustowość, mogą potrzebować większej linii testowej, aby zrównoważyć dłuższe indywidualne czasy testowania, ale jest to tak niewielka część procesu produkcji, że jestem sceptyczny ...
J ...
@rackandboneman Zdefiniowano również prawidłowe działanie dla FPGA. Mogą przetestować każdy element logiczny i połączenie osobno. To, co mówisz, byłoby powiedzeniem, że procesory nie mogą być testowane, ponieważ muszą działać poprawnie, niezależnie od tego, jakie oprogramowanie na nich działa.
user253751
13

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.

Przychody TSMC według technologii

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.

Ahmedus
źródło
jaki proces jest tworzony przez Artix-7?
iBug
@ iBug To samo z Kintex-7.
Ahmedus
3

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.

JOT...
źródło
Nie sądzę, abyś mógł ufać cenie 35 000 USD od digikey lub gdziekolwiek, aby być dokładnym odwzorowaniem rzeczywistych cen ilościowych. Prawdopodobnie bliżej 5 000 $ ... przy uruchomieniu ...
ks0ze
1
Nie jestem pewien, czy to prawda, ale doprowadzono mnie do przekonania, że ​​konsole takie jak Xbox są zazwyczaj sprzedawane ze stratą lub kosztem, a różnicę rekompensuje sprzedaż gier.
Éliette
@ ks0ze, bardzo niewielu klientów kupuje żetony o wartości 35 000 $ w naprawdę dużych ilościach (powiedzmy 10 000 / miesiąc lub więcej). Ostatnim razem, gdy musiałem kupować od Xilinx, twierdzili, że sprzedają tylko poprzez dystrybucję (czy to w rzeczywistości jest prawdą przy zakupie 1000 jednostek, których nie znam).
Photon
To powiedziawszy, z pewnością możesz zadzwonić do dystrybutora i wynegocjować lepszą cenę, jeśli chcesz więcej niż kilka 100 części.
The Photon
@ ks0ze To jest faktyczna cena książki od Xilinx. Jeśli chcesz tylko kilka, to prawdopodobnie będziesz musiał zapłacić. Xilinx to trudne przypadki z cenami, ale możesz się targować, jeśli dużo kupujesz, tak. Nie sądzę, żeby to nam coś mówiło, z wyjątkiem tego, że FPGA nie są kupowane i sprzedawane w wystarczająco dużych ilościach, aby mieć wysoce stabilną strukturę cen. Zastanów się nad marżami rabatów masowych, które można uzyskać na produktach o dużej ilości, takich jak na przykład procesory Intel. Może kilka procent, ale ta cena niewiele się zmienia. To samo dotyczy przełączników Ethernet i XBoxów, co jest sednem całej tej odpowiedzi.
J ...