Por que os FPGAs são tão caros?

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Quero dizer, comparado a ICs (ASICs) com complexidade, velocidade etc. semelhantes. Vamos comparar switches Ethernet com FPGAs Kintex (observe que o switch mais caro da lista é aproximadamente tão caro quanto o Kintex mais barato):

  • FPGAs são ICs bem estruturados (como RAMs). Eles podem ser dimensionados e desenvolvidos facilmente.
  • As ferramentas de design ( Vivado , Quartus etc.) também são caras, então acho que o preço de um FPGA é o preço do IC (e do desenvolvimento) em si, excluindo o custo do suporte e das ferramentas. (Alguns fornecedores que não são do FPGA fornecem ferramentas gratuitas cujo custo de desenvolvimento inclui o preço do IC.)

Os FPGAs são produzidos em quantidades menores do que outros CIs? Ou existe algum equipamento tecnológico?

fpga betontalpfa
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Eu acho que alguém fez doutorado. tese em ciência de negócios sobre o assunto. Não é uma questão tecnológica, é mais uma questão comercial que envolve a comparação tecnológica de maçãs com laranjas. A regra principal é - ferramentas de desenvolvimento (produtos) sempre mais caras que produtos de consumo - por várias razões, desde estimativa de receita / custo, demanda do mercado e disponibilidade de produtos concorrentes (funcionais).
Anônimo
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Você já olhou para um FPGA de ponta e todos os recursos que ele oferece? Está longe de ser trivial fazer tudo funcionar bem em conjunto e antecipar as possíveis interações. Um ASIC similarmente complexo também é caro como o inferno nos mesmos números, o ponto em que os ASICs se tornam mais baratos é quando são vendidos em muitos milhões. E sua comparação é bastante injusta porque os comutadores Ethernet geralmente não contêm tanta complexidade quanto um FPGA com todo o PLL e condicionamento de sinal e milhares de pinos GPIO.
PlasmaHH
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Eu não entendo a comparação. O custo de FPGA varia entre 80 centavos e 50000 $ - dependendo do tamanho e dos recursos. Os switches Ethernet começam em 20 dólares e sobem pelo menos para centenas de milhares de dólares, dependendo do tamanho e dos recursos.
Asdfex 07/11
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Como alguém que trabalha com FPGAs e switches Ethernet: por que esses são seus dois pontos de dados?
precisa saber é o seguinte
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Desculpe por ser duro, mas: "Um chip que pode fazer tudo é mais caro do que um chip que pode fazer apenas uma coisa". Como isso é mesmo uma pergunta?
Agent_L 8/11

Respostas:

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Os chips FPGA incluem conexões lógicas e programáveis ​​entre elementos lógicos, enquanto os ASICs incluem apenas a lógica.

Você ficaria surpreso com quanta área de chip é dedicada à "malha de conexão" em um FPGA - é facilmente 90% ou mais do chip. Isso significa que os FPGAs usam pelo menos 10 × a área de chip de um ASIC equivalente e a área de chip é cara!

Custa uma certa quantia para fazer todo o processamento em uma determinada pastilha de silício, não importa quantos chips individuais estejam nela. Portanto, para uma primeira aproximação, o custo do chip é diretamente proporcional à sua área. No entanto, existem vários fatores que a tornam pior do que isso. Primeiro, chips maiores significam que há menos locais utilizáveis ​​no wafer - bolachas são redondas, chips são quadrados e muita área é perdida nas bordas. E as densidades de defeitos tendem a ser constantes através da bolacha, o que significa que a probabilidade de obter um chip sem defeito (ou seja, "rendimento") diminui com o tamanho do chip.

Dave Tweed
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Certamente um ASIC precisará de algum nível de conexão interna. Eu acho que você quer dizer que o FPGA tem um monte de conectividade, fios e interruptores acompanhantes, indo para lugares que você não precisa necessariamente, enquanto os ASICs são construídos apenas com os que você precisa.
precisa saber é o seguinte
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Os FPGAs provavelmente exigem mais tempo de teste e também não é barato.
Nick Alexeev
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@awjlogan Não com grandes bolachas modernas - o AFAIK usa um processo de "passo e repetição" .
Tom Carpenter
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@HarrySvensson: Da definição de Jargon File para nanoacre : "Uma unidade (cerca de 2 mm quadrados) de imóveis em um chip VLSI. O termo obtém seu valor de riso pelo fato de os nanoacres VLSI terem custos na mesma faixa de acres reais uma vez uma figura em custos de projeto e configuração de fabricação ". Isso é verdade há muito tempo.
Dave Tweed
1
Tudo dito e feito, o dado físico real que sai de uma fábrica não é realmente tão caro, sempre me incomoda que um grande IC tenda a custar uma fração do pacote em que está sendo colocado. Onde a área se torna realmente cara é rentável. Uma bolacha possui defeitos, e os ICs de 100 a uma bolacha teriam uma probabilidade 10 vezes maior de falhar devido a um defeito do que os ICs de 1000 a uma bolacha. Sem mencionar as despesas extras de testes e engenharia que são aplicadas neles. Um FPGA pode ser limitado pelo retículo, que é o tamanho máximo permitido pela tecnologia, em> 25mmx25mm, enquanto um IC comum terá apenas ~ 4mm ^ 2.
Edgar Brown
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Outro fator importante de custo é a verificação.

Os FPGAs precisam ser testados individualmente antes da venda. Isso é parcialmente para garantir que todos os milhares e vários milhões de interconexões de roteamento e células lógicas estejam funcionais. A verificação, no entanto, também envolve a caracterização e a classificação do grau de velocidade - determinando a rapidez com que o silício pode operar e que os atrasos de velocidade e propagação de todas as muitas interconexões e células são correspondidos adequadamente aos modelos de temporização de seu grau.

Para projetos ASIC, o teste geralmente é mais simples - um sim-não é executado conforme o esperado. Como tal, o tempo necessário para a verificação é provavelmente muito menor e, portanto, mais barato de executar.

Tom Carpenter
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1
Os ASICs geralmente são testados com uma cadeia de varredura. Não vejo razão para que isso não seja possível para FPGAs. Existem também ASICs que são calibrados e testados individualmente em diferentes temperaturas e ainda são vendidos por alguns dólares.
Michael
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Com um ASIC, a operação correta já está definido - com um FPGA, você precisa dele funcionando corretamente, independentemente de como que é (usuário) definido ....
rackandboneman
O ASICS e outros chips são todos testados e, muitas vezes, impedidos de obter velocidade. Eu aceitaria isso como um argumento válido se alguém pudesse produzir números ainda aproximados por quanto tempo um FPGA precisa permanecer em um banco de testes em comparação com outros tipos de chips. Minha intuição é que, mesmo que sejam necessários testes mais longos, o restante do processo de fabricação provavelmente é dominante em termos de contribuições para os custos de produção. Para manter a taxa de transferência que pode precisar de uma linha de teste maior para compensar os tempos de teste mais individuais, mas é uma parte tão pequena do processo produciton que eu permaneça cético ...
J ...
@rackandboneman A operação correta para um FPGA também está definida. Eles podem testar todos os elementos lógicos e interconexões separadamente. O que você está dizendo seria como dizer que as CPUs não podem ser testadas porque precisam operar corretamente, independentemente do software executado nelas.
user253751 14/01
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Há um (mais) ponto importante que geralmente é negligenciado: a tecnologia de processo.

Os FPGAs com alta participação de mercado são fabricados com tecnologia de ponta. Para ser mais específico, os FPGAs Kintex-7 têm processo TSMC 28nm e seu envio começou em 2011 [1] . O TSMC iniciou a produção em massa de 28 nm no mesmo ano [2] .

[1] A Xilinx envia os primeiros FPGAs Kintex-7 de 28nm (por Clive Maxfield, 21.01.11)

[2] Chang disse: "Nossos 28 nm entraram em produção em volume no ano passado e contribuíram com 2% da receita de wafer do 4T11".

Não conheço o processo dos comutadores Ethernet, mas a maioria das empresas de design da ASIC não segue a tecnologia de ponta. Também não faz sentido para as fundições.

O gráfico a seguir mostra a receita da TSMC por tecnologia ( 1T18 ). Mesmo em 2018, 39% da receita provém de tecnologias com mais de 28nm. Se pensarmos no número de chips, não é difícil imaginar que mais da metade dos ASICs sejam fabricados hoje com tecnologias com mais de 7 anos de idade Kintex-7.

Receita do TSMC por tecnologia

Como conclusão, a tecnologia de processo é um dos fatores que tornam os FPGAs mais caros. Não afirmo que seja um fator dominante, mas significativo o suficiente para ser considerado.

ahmedus
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que processo o Artix-7 é criado?
iBug 8/11
@iBug O mesmo com o Kintex-7.
ahmedus 8/11
3

Vou me expor e dizer que isso é de longe dominado pela simples oferta e demanda. Os switches Ethernet são produzidos em massa com enormes economias de escala e são vendidos com descontos por chips que não são tão amplamente utilizados. Os FPGAs, eu diria, não são tão amplamente implantados quanto os switches ethernet e, portanto, custam mais porque os custos de desenvolvimento e infraestrutura estão espalhados por menos clientes.

Não se trata do tamanho do processo ou da matriz ou algo assim. Considere o Xilinx Virtex-7 (apenas porque eu poderia encontrar mais facilmente dados para ele) e vamos comparar com alguns contemporâneos:

  • Virtex7 (2011), 28nm, ~ 6,8 bilhões de transistores, US $ 2500USD (modelos populares) a US $ 35.000USD (modelos mais avançados)
  • NVIDIA Kepler GK110 (2012), 28nm, ~ 7,1 bilhões de transistores, cartões Tesla K20 ~ $ 3200USD no lançamento (preço do chip, uma fração menor disso)
  • XBoxOne SOC (2013), 28nm, ~ 5 bilhões de transistores, US $ 499 USD para todo o XBox no lançamento
  • Xeon E5-2699 v3 [18 núcleos] (2014), 22 nm, ~ 5,6 bilhões de transistores, ~ US $ 4500USD

Portanto, em geral, o Virtex FPGA parece ter preços razoáveis ​​(modelos mais populares) em comparação com outro silício com contagem, geração e volume de vendas de transistores semelhantes. O XBox SOC destaca-se como algo amplamente implementado em um dispositivo de consumidor e o custo também é muito menor.

O computador da NVIDIA GK110 foi muito menos amplamente utilizado do que chips de consumo semelhantes, que acabavam em placas de jogos e eram igualmente mais caros, mesmo considerando as semelhanças arquitetônicas e o fato de os chips serem fabricados na mesma fábrica.

Quanto aos chips Virtex, não há uma diferença de 10x na complexidade dos chips de US $ 2500 vs dos US $ 35000 - estes são simplesmente muito menos populares e, com volumes de vendas mais baixos, o custo por unidade é necessariamente maior.

O mercado está cheio disso. Qualquer coisa em que você possa vender cem milhões pode sempre ficar mais barato do que algo que talvez venderá centenas de milhares.

J ...
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Não acho que você possa confiar no preço de US $ 35.000 da digikey ou em qualquer outro lugar para ser uma representação precisa do preço real da quantidade. Provavelmente mais perto de $ 5k ... no lançamento ...
ks0ze
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Não sei ao certo se isso é verdade, mas fui convencido de que consoles como o Xbox normalmente são vendidos com prejuízo ou com custo, e a diferença é recuperada pelas vendas de jogos.
Eliette
@ ks0ze, muito poucos clientes compram chips de US $ 35 mil em quantidades realmente grandes (10 mil / mês ou mais, digamos). E da última vez que precisei comprar da Xilinx, eles alegaram vender apenas através da distribuição (se isso é realmente verdade ao comprar milhares de unidades que eu não conheço).
O Photon
Dito isto, você certamente pode ligar para o distribuidor e negociar um preço melhor se desejar mais do que algumas 100 peças.
O Photon
@ ks0ze Esse é o preço real do livro da Xilinx. Se você quiser apenas alguns, é isso que provavelmente terá que pagar. Xilinx são casos difíceis com preços, mas você pode negociar se estiver comprando muito, sim. Acho que isso não nos diz nada, exceto que os FPGAs não são comprados e vendidos em quantidades grandes o suficiente para ter uma estrutura de preços altamente estável. Considere margens de desconto em massa que você obteria em produtos de alto volume, como CPUs Intel, por exemplo. Talvez alguns por cento, mas esse preço não está mudando muito. O mesmo acontece com switches Ethernet e XBoxes, que é o ponto de toda essa resposta.
J ...