Warum sind FPGAs so teuer?

Ich meine im Vergleich zu ICs (ASICs) mit ähnlicher Komplexität, Geschwindigkeit usw. Vergleichen wir Ethernet-Switches mit Kintex-FPGAs (beachten Sie, dass der teuerste Switch in der Liste ungefähr so ​​teuer ist wie der billigste Kintex):

• FPGAs sind gut strukturierte ICs (wie RAMs). Sie können einfach skaliert und entwickelt werden.
• Die Design - Tools ( Vivado , Quartus , etc.) sind zu teuer, so dass ich den Preis eines FPGA denken , ist der Preis des IC (und Entwicklung) selbst ohne die Kosten für die Unterstützung und die Werkzeuge. (Einige Nicht-FPGA-Anbieter bieten kostenlose Tools an, deren Entwicklungskosten den IC-Preis enthalten.)

Werden FPGAs in geringeren Stückzahlen hergestellt als andere ICs? Oder gibt es ein technologisches Geschirr?

FPGA-Chips enthalten sowohl logische als auch programmierbare Verbindungen zwischen Logikelementen, während ASICs nur die Logik enthalten.

Sie werden erstaunt sein, wie viel Chipfläche für das "Connection Fabric" in einem FPGA vorgesehen ist - es sind leicht 90% oder mehr des Chips. Dies bedeutet, dass FPGAs mindestens das 10-fache der Chipfläche eines äquivalenten ASICs belegen und die Chipfläche teuer ist!

Es kostet einen gewissen Betrag, die gesamte Bearbeitung auf einem bestimmten Siliziumwafer durchzuführen, unabhängig davon, wie viele einzelne Chips sich darauf befinden. Daher sind die Chipkosten in erster Näherung direkt proportional zu ihrer Fläche. Es gibt jedoch mehrere Faktoren, die es noch schlimmer machen. Erstens bedeuten größere Chips, dass sich zunächst weniger nutzbare Stellen auf dem Wafer befinden - die Wafer sind rund, die Chips sind quadratisch und an den Rändern geht viel Fläche verloren. Und die Defektdichte ist in der Regel über den Wafer konstant, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, einen Chip ohne Defekt zu erhalten (dh "Ausbeute"), mit der Chipgröße abnimmt.

Ein weiterer wichtiger Kostentreiber ist die Verifizierung.

FPGAs müssen vor dem Verkauf einzeln getestet werden. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen, dass alle Tausenden bis zu mehreren Millionen Routing-Interconnects und Logikzellen funktionsfähig sind. Die Überprüfung umfasst jedoch auch die Charakterisierung und das Binning von Geschwindigkeitsstufen - um zu bestimmen, wie schnell das Silizium arbeiten kann und ob die Geschwindigkeits- und Ausbreitungsverzögerungen aller vielen Verbindungen und Zellen in geeigneter Weise an die Timing-Modelle für seine Klasse angepasst sind.

Bei ASIC-Designs ist das Testen in der Regel einfacher - ein Ja-Nein führt das Design wie erwartet aus. Daher ist die für die Überprüfung erforderliche Zeit wahrscheinlich viel kürzer und daher billiger durchzuführen.

Es gibt einen (weiteren) wichtigen Punkt, der normalerweise übersehen wird: die Prozesstechnologie.

FPGAs mit hohem Marktanteil werden mit modernster Technologie hergestellt. Kintex-7-FPGAs haben einen TSMC-28-nm-Prozess und ihre Auslieferung begann 2011 ^[1] . TSMC hatte im selben Jahr mit der Massenproduktion von 28 nm begonnen ^[2] .

[1] Xilinx liefert erste 28-nm-Kintex-7-FPGAs aus (von Clive Maxfield, 21.03.11)

[2] Chang sagte: "Unser 28-nm hat im vergangenen Jahr die Serienproduktion aufgenommen und 2 Prozent zum Wafer-Umsatz von 4Q11 beigetragen."

Ich kenne den Prozess der Ethernet-Switches nicht, aber die meisten ASIC-Designfirmen folgen nicht der neuesten Technologie. Auch für Gießereien macht das keinen Sinn.

Die folgende Grafik zeigt die Einnahmen von TSMC nach Technologie (1. Quartal 18 ). Selbst im Jahr 2018 stammen 39% des Umsatzes aus Technologien, die älter als 28 nm sind. Wenn wir uns die Anzahl der Chips ansehen, ist es nicht schwer vorstellbar, dass heute mehr als die Hälfte der ASICs mit Technologien hergestellt werden, die älter sind als der 7-jährige Kintex-7.

Als Fazit ist die Prozesstechnologie einer der Faktoren, die FPGAs teurer machen. Ich behaupte nicht, dass es ein dominierender Faktor ist, aber signifikant genug, um in Betracht gezogen zu werden.

Ich werde mich beeilen und sagen, dass dies bei weitem von einfachem Angebot und Nachfrage dominiert wird. Ethernet-Switches werden in Massenproduktion mit enormen Skaleneffekten hergestellt und mit Preisnachlässen gegenüber Chips verkauft, die nicht so weit verbreitet sind. Ich würde sagen, FPGAs sind bei weitem nicht so weit verbreitet wie Ethernet-Switches und kosten deshalb mehr, weil sich die Entwicklungs- und Infrastrukturkosten auf weniger Kunden verteilen.

Hier geht es nicht um Prozess- oder Die-Größe oder ähnliches. Betrachten wir das Xilinx Virtex-7 (nur weil ich Daten dafür leichter finden konnte) und vergleichen wir es mit ein paar Zeitgenossen:

• Virtex7 (2011), 28 nm, ~ 6,8 Milliarden Transistoren, 2500 USD (beliebte Modelle) bis 35.000 USD (High-End-Modelle)
• NVIDIA Kepler GK110 (2012), 28 nm, ~ 7,1 Milliarden Transistoren, Tesla K20-Karten ~ 3200 USD zum Start (Chippreis etwas geringerer Anteil davon)
• XBoxOne SOC (2013), 28 nm, ~ 5 Milliarden Transistoren, 499 USD für die gesamte XBox zum Start
• Xeon E5-2699 v3 [18 Core] (2014), 22 nm, ~ 5,6 Milliarden Transistoren, ~ 4500 USD

Insgesamt scheint das Virtex-FPGA im Vergleich zu anderem Silizium mit einer ähnlichen Transistoranzahl, -generation und -verkaufsmenge preiswerter zu sein (beliebtere Modelle). Die XBox SOC sticht als etwas hervor, das in einem Consumer-Gerät weit verbreitet war, und die Kosten sind ebenfalls viel niedriger.

NVIDIAs Compute GK110 war viel weniger verbreitet als vergleichbare Consumer-Chips, die in Spielkarten landeten, und war auch angesichts der architektonischen Ähnlichkeiten und der Tatsache, dass die Chips in derselben Fabrik hergestellt wurden, ähnlich teuer.

Bei den Virtex-Chips gibt es keinen 10-fachen Unterschied in der Komplexität der 2500-Dollar-Chips gegenüber den 35000-Dollar-Chips - letztere sind einfach weniger beliebt und bei geringeren Verkaufsmengen sind die Stückkosten notwendigerweise höher.

Der Markt ist voll davon. Alles, was Sie verkaufen können, können Sie immer billiger machen als etwas, von dem Sie vielleicht hunderttausend verkaufen werden.