ทั้ง FPGA และ ASIC เป็นเทคโนโลยีที่รู้จักกันดีมานานหลายทศวรรษ ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่เราใช้ในปัจจุบันใช้ ASIC และอีกหลายตัวใช้ FPGA เทคโนโลยีทั้งสองได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องตลอดหลายปีที่ผ่านมา มีผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ และคุณสมบัติใหม่ๆ ที่น่าสนใจมากมาย ปัจจุบัน FPGA มีผลิตภัณฑ์ที่ล้ำหน้ากว่าเมื่อ 10 ปีก่อน มีจำนวนเกตที่มากขึ้น และปัจจุบันมีบล็อกที่คล้ายคลึงกัน ASIC มีความหนาแน่นของเกตที่สูงขึ้นและใช้พลังงานน้อยลงกว่าเมื่อ 5 ปีก่อน พัฒนาได้เร็วกว่าและมีต้นทุนต่อหน่วยที่ต่ำลง

คู่มือนี้จะช่วยให้คุณเข้าใจถึงความแตกต่างระหว่าง FPGA และ ASIC และเข้าใจดีขึ้นว่าจะใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีอันทรงพลังเหล่านี้ได้อย่างไร เพื่อช่วยคุณออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุดที่ตอบสนองราคา ขนาด และการใช้พลังงาน

ก่อนอื่นเรามาเริ่มด้วยการเตือนความจำสั้นๆ เกี่ยวกับเทคโนโลยีแต่ละอย่าง: FPGA เทียบกับ ASIC

ASIC คืออะไร?

ASIC ย่อมาจาก Application Specific Integrated Circuit (วงจรรวมเฉพาะแอปพลิเคชัน) และตามชื่อก็บอกอยู่แล้วว่า ASIC คือชิปที่ทำหน้าที่ตามวัตถุประสงค์ที่ออกแบบไว้ และไม่สามารถนำไปตั้งโปรแกรมใหม่หรือดัดแปลงให้ทำงานหรือประยุกต์ใช้งานอื่นได้ ASIC ถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานเฉพาะหน้าที่ ซึ่งกำหนดวิธีการตั้งโปรแกรมของชิปตั้งแต่แรกโดยพิจารณาจากอายุการใช้งาน ASIC มีอยู่รอบตัวเราทุกที่ ไม่ว่าจะเป็นในโทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป ทีวี และอื่นๆ อีกมากมาย

FPGA คืออะไร?

FPGA ย่อมาจาก Field Programmable Gate Array โดยพื้นฐานแล้วคือชิปที่สามารถตั้งโปรแกรมและตั้งโปรแกรมใหม่เพื่อรองรับวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันได้ตลอดเวลา ชิปหนึ่งตัวประกอบด้วยหน่วยที่เรียกว่าบล็อกตรรกะ (Logic Blocks) หลายพันหน่วย ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยการเชื่อมต่อแบบตั้งโปรแกรมได้ ดังนั้น FPGA จึงเป็น ASIC แบบตั้งโปรแกรมได้ FPGA มีฟังก์ชันทั่วไปที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ตามความต้องการเฉพาะ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยืดหยุ่นในการใช้งาน จึงมีข้อเสียบางประการ เช่น ความหน่วงภายในที่สูง ต้นทุนที่สูง และฟังก์ชันการทำงานแบบอะนาล็อกที่จำกัด

การเปรียบเทียบ FPGA กับ ASIC

รายการต่อไปนี้เป็นการเปรียบเทียบระหว่าง FPGA และ ASIC จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าทั้ง ASIC และ FPGA เหนือกว่าในเกณฑ์และการประยุกต์ใช้งานที่หลากหลาย เราพยายามครอบคลุมหัวข้อต่างๆ ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ทั้งด้านเทคนิคและเชิงพาณิชย์ หากตกหล่นหัวข้อใดไป โปรดแจ้งให้เราทราบ

เอ็นอาร์อี

NRE ย่อมาจาก Non Recurring Engineering costs ซึ่งเป็นปัจจัยที่สูงมากสำหรับ ASIC และแทบจะไม่มีเลยสำหรับ FPGA ซึ่งหมายความว่าต้นทุน NRE สำหรับ ASIC จะสูงกว่า FPGA แต่ต้นทุนโดยรวมจะลดลงเรื่อยๆ เมื่อซื้อในปริมาณที่มากขึ้น ในทางกลับกัน FPGA แทบจะไม่มีต้นทุน NRE หรือไม่มีเลย แต่อาจมีราคาแพงกว่า เนื่องจากราคาของแต่ละหน่วยสำหรับ FPGA จะสูงกว่า ASIC

การออกแบบการไหล

เหตุผลหนึ่งที่ทำให้ FPGA มีต้นทุน NRE ต่ำและนำออกสู่ตลาดได้เร็วกว่าก็คือกระบวนการออกแบบที่ง่ายมาก ความสามารถในการเขียนโปรแกรมใหม่และความยืดหยุ่นของชิปเป็นเหตุผลที่ทำให้กระบวนการนี้ง่าย อย่างไรก็ตาม ASIC เป็นแบบถาวรและมีกระบวนการออกแบบที่ซับซ้อนกว่า FPGA อันที่จริง การออกแบบ ASIC จำเป็นต้องใช้เครื่องมือ EDA เฉพาะทางซึ่งมีราคาแพงมาก

ประสิทธิภาพและ ประสิทธิผล

ASIC มีประสิทธิภาพเหนือกว่า FPGA ในด้านประสิทธิภาพ เนื่องจากใช้พลังงานน้อยกว่า และสามารถรวมฟังก์ชันต่างๆ ไว้ในชิปตัวเดียวได้มากขึ้น FPGA มีโครงสร้างภายในที่แข็งแกร่ง ขณะที่ ASIC สามารถจัดวางเพื่อให้ได้ความเร็วและการใช้พลังงานที่เหนือกว่า

ค่า

แม้จะมีต้นทุน NRE ที่สูงกว่า แต่ ASIC ถือว่าคุ้มต้นทุนมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ FPGA ซึ่งคุ้มต้นทุนก็ต่อเมื่อพัฒนาในปริมาณที่น้อยกว่าเท่านั้น

การใช้พลังงาน

FPGA เป็นชิปที่กินพลังงานมาก ทำให้เป็นโซลูชันที่กินพลังงานมากกว่า ASIC ซึ่งกินพลังงานน้อยกว่า จึงเป็นโซลูชันที่ยอดเยี่ยมสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

ขนาด

หน่วยชิป FPGA จะมีขนาดใหญ่กว่าหน่วยชิป ASIC เล็กน้อย เนื่องจาก FPGA มีโครงสร้างภายในและขนาดที่แน่นอนซึ่งไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ในขณะที่ ASIC มีจำนวนเกตที่แน่นอนตามที่จำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องการ

เวลาสู่ตลาด

FPGA มีระยะเวลานำออกสู่ตลาดเร็วกว่า ASIC เมื่อเทียบกับ ASIC แล้ว FPGA มีวงจรการออกแบบที่สั้นกว่า เพราะไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนการออกแบบหรือกระบวนการเบื้องหลัง ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้เวลาในการพัฒนา ASIC นานกว่า นอกจากนี้ ASIC ยังมีความซับซ้อนและใช้เวลานานกว่า เนื่องจากต้องมีการตรวจสอบขั้นสูง ในขณะที่อุปกรณ์ FPGA มักผ่านการตรวจสอบแล้ว และเพียงแค่ใส่ตรรกะที่เกี่ยวข้องลงไปเท่านั้น

การกำหนดค่า

หนึ่งในจุดสำคัญที่ทำให้สองสิ่งนี้แตกต่างกัน คือ FPGA กับ ASIC คือ หนึ่งสามารถกำหนดค่าใหม่ได้ และอีกอันหนึ่งเป็นวงจรแบบคงที่ ASIC เป็นวงจรแบบคงที่ที่ไม่สามารถปรับเปลี่ยนได้หลังจากการผลิตแล้ว ในแง่นี้ FPGA มีความยืดหยุ่นมากกว่ามากและช่วยให้ผู้ใช้สามารถปรับเปลี่ยนส่วนประกอบต่างๆ ได้แม้ในขณะใช้งาน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ทำให้ FPGA เป็นตัวเลือกยอดนิยมในหมู่บุคคลและสาขาที่มองหาการประมวลผลความเร็วสูงที่เร่งความเร็วได้ เช่น ในศูนย์ข้อมูล

อุปสรรคในการเข้าถึง

อุปสรรคในการเข้าถึง (Barrier to access) เข้าใจโดยพื้นฐานแล้วว่าเป็นความยากลำบากในการเข้าถึงและเริ่มใช้เทคโนโลยีเหล่านี้ เมื่อพูดถึง ASIC แล้ว อุปสรรคในการเข้าถึงค่อนข้างสูงเมื่อพิจารณาถึงต้นทุน NRE ขั้นต้นที่สูง ความซับซ้อนในการดำเนินงาน และการลงทุนที่จำเป็นอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง แต่แม้ว่าการพัฒนา ASIC บางครั้งอาจมีต้นทุนหลายล้านดอลลาร์ แต่การพัฒนา FPGA อาจเริ่มต้นที่เพียง 5,000 ดอลลาร์ ทำให้เป็นเส้นทางที่ง่ายกว่าในแง่ของการลงทุน

ต้นทุนต่อหน่วย

เมื่อพูดถึง ASIC แม้ว่าจะมีต้นทุน NRE สูง แต่ต้นทุนต่อหน่วยค่อนข้างต่ำ ซึ่งเป็นปัจจัยที่ทำให้ ASIC เหมาะสมกับการผลิตปริมาณมาก FPGA มีต้นทุนต่อหน่วยสูงกว่า ASIC มาก ซึ่งหมายความว่าหากคุณต้องการใช้ ASIC ในการผลิตปริมาณมาก คุณจะต้องเพิ่มงบประมาณอย่างมากเพื่อให้ครอบคลุมต้นทุน

ความถี่ในการทำงาน

FPGA มีความถี่ในการทำงานที่จำกัด ซึ่งทำให้เราสามารถกำหนดค่าชิปใหม่ได้ ASIC มักจะสามารถทำงานได้ที่ความถี่สูงกว่า FPGA บนโหนดเดียวกัน เนื่องจากได้รับการออกแบบมาให้ทำหน้าที่เพียงฟังก์ชันเดียวเท่านั้น และไม่สามารถกำหนดค่าให้ทำอย่างอื่นได้

การออกแบบที่คล้ายกัน

แม้ว่า FPGA จะสามารถกำหนดค่าใหม่ได้ แต่ก็ไม่สามารถใช้สร้างการออกแบบที่คล้ายกันได้ เนื่องจาก ASIC สามารถใช้ฮาร์ดแวร์ที่คล้ายกัน เช่น ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล บล็อก RF (บลูทูธ, WiFi) และอื่นๆ อีกมากมาย

FPGA เทียบกับ ASIC – แอปพลิเคชัน

ความยืดหยุ่นในการกำหนดค่าของ FPGA ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานและอุปกรณ์ที่ต้องปรับเปลี่ยนและอัปเกรดบ่อยครั้ง ต่างจาก ASIC ที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ถาวรกว่า คุณสมบัตินี้ยังทำให้ FPGA เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างต้นแบบ เนื่องจากสามารถปรับเปลี่ยนวงจรได้หากมีข้อบกพร่องหรือต้องปรับปรุง ซึ่งเป็นสิ่งที่ ASIC ไม่สามารถทำได้เนื่องจากเป็นแบบถาวร นี่คือเหตุผลที่ FPGA มักถูกนำมาใช้สร้างต้นแบบ ASIC ก่อนการผลิตจริง ในทางกลับกัน ASIC ควรเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีปริมาณมากซึ่งความสามารถในการกำหนดค่าไม่ใช่ปัจจัยสำคัญ