Почему ПЛИС такие дорогие?

Я имею в виду сравнение с интегральными схемами (ASIC) с аналогичной сложностью, скоростью и т. Д. Давайте сравним коммутаторы Ethernet с FPGA Kintex (обратите внимание, что самый дорогой коммутатор из списка примерно такой же дорогой, как и самый дешевый Kintex):

• ПЛИС - это хорошо структурированные ИС (например, ОЗУ). Их можно легко масштабировать и разрабатывать.
• Инструменты проектирования ( Vivado , Quartus и т. Д.) Тоже дороги, поэтому я думаю, что цена FPGA - это цена самой IC (и разработки) без учета стоимости поддержки и инструментов. (Некоторые поставщики не-FPGA предоставляют бесплатные инструменты, стоимость разработки которых включает стоимость IC).

Производятся ли ПЛИС в меньших количествах, чем другие микросхемы? Или есть какой-нибудь технологический жгут?

Микросхемы FPGA включают в себя как логические, так и программируемые соединения между логическими элементами, в то время как ASIC включают только логику.

Вы будете удивлены тем, сколько чиповой области отведено «матрице соединений» в ПЛИС - это легко 90% или больше чипа. Это означает, что FPGA используют как минимум 10-кратную площадь чипа эквивалентной ASIC, а площадь чипа является дорогой!

Вся обработка всей данной кремниевой пластины стоит определенную сумму, независимо от того, сколько на ней чипов. Следовательно, в первом приближении стоимость чипа прямо пропорциональна его площади. Тем не менее, есть несколько факторов, которые делают это хуже, чем это. Во-первых, более крупные чипы означают, что на пластине меньше пригодных для использования сайтов - пластины круглые, чипы квадратные, и по краям теряется много места. И плотности дефектов имеют тенденцию быть постоянными по всей пластине, что означает, что вероятность получения чипа без дефекта (то есть, «доходность») уменьшается с размером чипа.

Еще одним ключевым фактором стоимости является проверка.

FPGA должны быть индивидуально проверены перед продажей. Это отчасти для обеспечения работоспособности всех от нескольких тысяч до нескольких миллионов маршрутизаторов и логических ячеек. Однако проверка также включает в себя определение характеристик и распределение по классам скорости - определение того, насколько быстро кремний может работать, и что скорость и задержки распространения всех многих межсоединений и ячеек соответствующим образом соответствуют моделям синхронизации для его класса.

Для проектов ASIC тестирование, как правило, проще - да-нет, проект работает должным образом. Таким образом, время, необходимое для проверки, вероятно, намного меньше и, следовательно, дешевле в выполнении.

Существует один (более) важный момент, который обычно упускается из виду, технология процесса.

ПЛИС, занимающие большую долю рынка, изготавливаются с использованием самых современных технологий. Точнее говоря, FPGA Kintex-7 имеют процесс TSMC 28 нм, и их отгрузка началась в 2011 году ^[1] . TSMC начал массовое производство 28 нм в том же году ^[2] .

[1] Xilinx поставляет первые 28-нм ПЛИС Kintex-7 (Клайв Максфилд, 03.21.11)

[2] Чанг сказал: «Наши 28-нм были введены в объем производства в прошлом году и принесли 2 процента от дохода от производства вафельных изделий в 4К11».

Я не знаю, как работают Ethernet-коммутаторы, но большинство компаний-разработчиков ASIC не следуют передовым технологиям. Это не имеет смысла и для литейных заводов.

На следующем графике показана выручка TSMC по технологиям ( 1Q18 ). Даже в 2018 году 39% выручки приходится на технологии старше 28 нм. Если подумать о количестве чипов, то нетрудно представить, что более половины ASIC сегодня производятся по технологиям старше 7-летнего Kintex-7.

Таким образом, технология процесса является одним из факторов, которые делают ПЛИС более дорогими. Я не утверждаю, что это доминирующий фактор, но достаточно значительный для рассмотрения.

Я собираюсь выйти на конечность и сказать, что это, безусловно, доминирует простой спрос и предложение. Ethernet-коммутаторы массового производства с огромной экономией от масштаба и продаются со скидками по сравнению с чипами, которые не используются так широко Я бы сказал, что FPGA развернуты не так широко, как коммутаторы Ethernet, поэтому они стоят дороже, поскольку затраты на разработку и инфраструктуру распределены между меньшим количеством клиентов.

Речь не идет о размере процесса или кристалла или чем-то подобном. Рассмотрим Xilinx Virtex-7 (только потому, что я мог бы с большей готовностью найти данные для него) и давайте сравним его с несколькими современниками:

• Virtex7 (2011), 28 нм, ~ 6,8 миллиардов транзисторов, от 2500 долларов США (популярные модели) до 35 000 долларов США (более дорогие модели)
• NVIDIA Kepler GK110 (2012), 28 нм, ~ 7,1 миллиардов транзисторов, карты Tesla K20 ~ 3200 долларов США на старте (цена чипа немного меньше)
• XBoxOne SOC (2013), 28 нм, ~ 5 миллиардов транзисторов, $ 499 долларов за весь XBox при запуске
• Xeon E5-2699 v3 [18 core] (2014), 22 нм, ~ 5,6 миллиардов транзисторов, ~ 4500 долларов США

Таким образом, в целом Virtex FPGA выглядит по разумным ценам (более популярные модели) по сравнению с другими моделями схожего количества транзисторов, генерации и объема продаж. XBox SOC выделяется как нечто, что было широко развернуто в потребительском устройстве, и стоимость также намного ниже.

Вычислительный чип NVIDIA GK110 был гораздо менее широко распространен, чем аналогичные потребительские чипы, которые в итоге оказались в игровых картах, и был аналогично более дорогим, даже с учетом архитектурного сходства и того факта, что чипы были изготовлены на одном заводе.

Что касается чипов Virtex, то сложность чипов за 2500 долларов по сравнению с чипами за 35000 долларов не отличается в 10 раз - последние просто гораздо менее популярны, а при меньших объемах продаж стоимость за единицу обязательно выше.

Рынок полон этого. Все, что вы можете продать за сто миллионов, всегда может быть дешевле, чем то, за что вы можете продать сто тысяч.