Perché gli FPGA sono così costosi?

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Voglio dire, rispetto agli IC (ASIC) con complessità, velocità, ecc. Simili Confrontiamo gli switch Ethernet con gli FPGA Kintex (si noti che lo switch più costoso della lista è circa costoso quanto il Kintex più economico):

Gli FPGA sono circuiti integrati ben strutturati (come le RAM). Possono essere ridimensionati e sviluppati facilmente.
Anche gli strumenti di progettazione ( Vivado , Quartus , ecc.) Sono costosi, quindi penso che il prezzo di un FPGA sia il prezzo dell'IC (e dello sviluppo) stesso escludendo il costo del supporto e degli strumenti. (Alcuni fornitori non FPGA offrono strumenti gratuiti il cui costo di sviluppo include il prezzo IC.)

Gli FPGA sono prodotti in quantità inferiori rispetto ad altri circuiti integrati? O c'è qualche imbracatura tecnologica?

fpga

— betontalpfa
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Penso che qualcuno abbia fatto Ph.D. tesi di laurea in scienze economiche sull'argomento. Non è una questione tecnologica, è più una questione commerciale che comporta un confronto tecnologico tra mele e arance. La regola principale è: gli strumenti di sviluppo (prodotti) sono sempre più costosi dei prodotti di consumo - per vari motivi, dalla stima dei ricavi / costi, alla domanda del mercato e alla disponibilità di prodotti concorrenti (funzionali).

— Anonimo

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Hai mai cercato un FPGA di fascia alta e tutte le funzionalità che offre? È tutt'altro che banale far funzionare tutto bene insieme e anticipare le possibili interazioni. Un ASIC altrettanto complesso è anche costoso come l'inferno negli stessi numeri, il punto in cui gli ASIC diventano più economici è quando vengono venduti in molti milioni. E il tuo confronto è abbastanza ingiusto perché gli switch Ethernet generalmente non contengono quasi la stessa complessità di un FPGA con tutto il PLL e il condizionamento del segnale e migliaia di pin GPIO.

— PlasmaHH,

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Non ho il confronto. L'Fpga costa tra 80 e 50000 $, a seconda delle dimensioni e delle caratteristiche. Gli switch Ethernet partono da 20 dollari e salgono almeno a severi centomila dollari, a seconda della dimensione e delle caratteristiche.

— asdfex,

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Come qualcuno che lavora sia con FPGA che con switch Ethernet: perché sono questi i tuoi due punti dati?

— DonFusili,

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Mi dispiace essere duro ma: "Un chip che può fare tutto è più costoso di un chip che può fare solo 1 cosa". Come è anche una domanda?

— Agent_L

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I chip FPGA includono connessioni logiche e programmabili tra elementi logici, mentre gli ASIC includono solo la logica.

Sareste sorpresi di quanta area di chip è dedicata al "tessuto di connessione" in un FPGA - è facilmente il 90% o più del chip. Ciò significa che gli FPGA utilizzano almeno 10 volte l'area del chip di un ASIC equivalente e che l'area del chip è costosa!

Il costo è un determinato importo per eseguire tutte le elaborazioni su un dato wafer di silicio, indipendentemente dal numero di singoli chip presenti su di esso. Pertanto, a una prima approssimazione, il costo del chip è direttamente proporzionale alla sua area. Tuttavia, ci sono diversi fattori che lo rendono peggiore di così. In primo luogo, i chip più grandi significano che ci sono meno siti utilizzabili sul wafer per cominciare - i wafer sono rotondi, i chip sono quadrati e molta area viene persa intorno ai bordi. E la densità dei difetti tende ad essere costante attraverso il wafer, il che significa che la probabilità di ottenere un chip senza un difetto (cioè "resa") diminuisce con la dimensione del chip.

— Dave Tweed
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Certamente un ASIC avrà bisogno di un certo livello di connessione interna. Penso che intendi che l'FPGA ha un sacco di connettività, fili e interruttori di accompagnamento, andando in luoghi che non sono necessariamente necessari, mentre gli ASIC sono costruiti solo con quelli di cui hai bisogno.

— user71659

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Gli FPGA probabilmente richiedono più tempo di test e neanche il tempo di test è economico.

— Nick Alexeev

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@awjlogan Non con i moderni wafer enormi - AFAIK usano un processo "step and repeat" .

— Tom Carpenter,

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@HarrySvensson: dalla definizione del file Jargon per nanoacre : "Un'unità immobiliare (circa 2 mm quadrati) di proprietà immobiliari su un chip VLSI. Il termine ottiene il suo valore di risatina dal fatto che i nanoacri VLSI hanno costi nello stesso intervallo di acri reali una volta una figura nei costi di progettazione e installazione. " Questo è vero da molto tempo.

— Dave Tweed

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Tutto sommato, il vero stampo fisico che esce da un fab non è poi così costoso, mi dà sempre fastidio che un grande circuito integrato tende a costare una frazione del pacchetto in cui viene inserito. Dove l'area diventa davvero costosa è in resa. Un wafer presenta difetti e i circuiti integrati da 100 a un wafer avrebbero una probabilità 10 volte maggiore di fallire a causa di un difetto rispetto ai circuiti integrati da 1000 a un wafer. Per non parlare delle spese extra di test e ingegneria che ne derivano. Un FPGA può essere limitato al reticolo, ovvero la dimensione massima consentita dalla tecnologia, a> 25mmx25mm mentre un IC comune sarà solo ~ 4mm ^ 2.

— Edgar Brown,

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Un altro fattore chiave del costo è la verifica.

Gli FPGA devono essere testati singolarmente prima della vendita. Ciò è in parte per garantire che tutte le migliaia e diversi milioni di interconnessioni di routing e celle logiche siano funzionali. La verifica implica tuttavia anche la caratterizzazione e il binning del grado di velocità, determinando la velocità con cui il silicio può funzionare e che i ritardi di velocità e propagazione di tutte le numerose interconnessioni e celle sono opportunamente adattati ai modelli di temporizzazione per il suo grado.

Per i progetti ASIC, i test sono in genere più semplici: un sì-no il progetto funziona come previsto. Pertanto, il tempo richiesto per la verifica è probabilmente molto inferiore e quindi più economico da eseguire.

— Tom Carpenter
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Gli ASIC sono generalmente testati con una catena di scansione. Non vedo alcun motivo per cui ciò non sarebbe possibile per gli FPGA. Ci sono anche ASIC che sono calibrati individualmente e testati a diverse temperature e vendono ancora per un paio di dollari.

— Michael,

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Con un ASIC, il corretto funzionamento è già definito - con un FPGA, è necessario che funzioni correttamente, A prescindere da come viene definito (utente) ....

— rackandboneman

ASICS e altri chip sono tutti testati e, spesso, integrati per la velocità. Accetterei questo come argomento valido se qualcuno potesse produrre anche numeri approssimativi per quanto tempo un FPGA deve rimanere su un banco di prova rispetto ad altri tipi di chip. La mia intuizione è che, anche se sono necessari test più lunghi, il resto del processo di produzione è probabilmente dominante in termini di contributi ai costi di produzione. Per mantenere il rendimento potrebbero aver bisogno di una linea di prova più ampia per compensare i tempi di prova individuali più lunghi, ma è una parte così piccola del processo di produzione che rimango scettico ...

— J ...

@rackandboneman Viene anche definita la corretta operazione per un FPGA. Possono testare ogni elemento logico e interconnessione separatamente. Quello che stai dicendo sarebbe come dire che le CPU non possono essere testate perché devono funzionare correttamente indipendentemente dal software che le esegue.

— user253751

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C'è un (più) punto importante che di solito viene trascurato, la tecnologia di processo.

Gli FPGA che hanno un'elevata quota di mercato sono prodotti con tecnologia all'avanguardia. Per essere più specifici, gli FPGA Kintex-7 hanno un processo TSMC 28nm e la loro spedizione è iniziata nel 2011 ^[1] . TSMC aveva iniziato la produzione di massa di 28 nm nello stesso anno ^[2] .

[1] Xilinx spedisce i primi FPGA Kintex-7 a 28 nm (di Clive Maxfield, 03.21.11)

[2] Chang ha dichiarato: "I nostri 28 nm sono entrati in produzione in volume l'anno scorso e hanno contribuito al 2% delle entrate del wafer del 4 ° trimestre".

Non conosco il processo degli switch ethernet, ma la maggior parte delle società di progettazione ASIC non segue la tecnologia all'avanguardia. Non ha senso anche per le fonderie.

Il grafico seguente mostra i ricavi per tecnologia di TSMC ( 1Q18 ). Anche nel 2018, il 39% delle entrate proviene da tecnologie più vecchie di 28 nm. Se pensiamo al numero di chip, non è difficile immaginare che oltre la metà degli ASIC sia oggi prodotta con tecnologie più vecchie di Kintex-7 di 7 anni.

In conclusione, la tecnologia di processo è uno dei fattori che rendono gli FPGA più costosi. Non pretendo che sia un fattore dominante, ma abbastanza significativo da essere considerato.

— ahmedus
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quale processo viene creato Artix-7?

— iBug

@iBug Lo stesso con Kintex-7.

— Ahmedus,

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Sto andando fuori di testa e dire che questo è di gran lunga dominato dalla semplice domanda e offerta. Gli switch Ethernet sono prodotti in serie con enormi economie di scala e vendono con sconti rispetto ai chip che non sono così ampiamente utilizzati. Gli FPGA, direi, non sono così diffusi come switch Ethernet e quindi costano di più perché i costi di sviluppo e infrastruttura sono distribuiti su un minor numero di clienti.

Non si tratta di dimensioni del processo o della matrice o simili. Considera lo Xilinx Virtex-7 (solo perché ho potuto trovare più facilmente i dati per esso) e confrontiamo con alcuni contemporanei:

Virtex7 (2011), 28nm, ~ 6,8 miliardi di transistor, da $ 2500USD (modelli popolari) a $ 35.000USD (modelli di fascia alta)
NVIDIA Kepler GK110 (2012), 28 nm, ~ 7,1 miliardi di transistor, schede Tesla K20 ~ $ 3200 USD al momento del lancio (prezzo del chip di una frazione minore di quello)
XBoxOne SOC (2013), 28nm, ~ 5 miliardi di transistor, $ 499 USD per l'intero XBox al lancio
Xeon E5-2699 v3 [18 core] (2014), 22nm, ~ 5,6 miliardi di transistor, ~ $ 4500 USD

Quindi nel complesso l'FPGA Virtex sembra a prezzi ragionevoli (modelli più popolari) rispetto ad altri silicio con un numero di transistor, generazione e volume di vendite simili. XBox SOC si distingue come qualcosa che è stato ampiamente distribuito in un dispositivo consumer e anche il costo è molto più basso.

Il calcolo GK110 di NVIDIA era molto meno diffuso rispetto a chip di consumo simili che finivano nelle carte da gioco ed era allo stesso modo più costoso, anche date le somiglianze architettoniche e il fatto che i chip erano fabbricati nella stessa fabbrica.

Per quanto riguarda i chip Virtex, non c'è una differenza di 10 volte nella complessità dei chip da $ 2500 rispetto ai chip da $ 35000: questi ultimi sono semplicemente molto meno popolari e, con volumi di vendita più bassi, il costo per unità è necessariamente più alto.

Il mercato è pieno di questo. Qualunque cosa tu possa vendere centinaia di milioni di te può sempre rendere più economico di qualcosa che forse venderai centomila.

— J ...
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Non credo che ci si possa fidare del prezzo di $ 35.000 di digikey o di qualsiasi altro luogo per essere una rappresentazione accurata del prezzo della quantità effettiva. Probabilmente più vicino a $ 5k ... al lancio ...

— ks0ze

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Non sono sicuro di quanto sia vero, ma sono stato portato a credere che le console come Xbox siano in genere vendute in perdita o al costo e la differenza viene recuperata attraverso le vendite di giochi.

— Éliette,

@ ks0ze, pochissimi clienti acquistano chip da $ 35k in quantità davvero grandi (10k / mese o più, diciamo). E l'ultima volta che ho dovuto acquistare da Xilinx, hanno affermato di vendere solo attraverso la distribuzione (se questo è effettivamente vero quando si acquistano migliaia di unità che non conosco).

— Il fotone

Detto questo, puoi sicuramente chiamare il distributore e negoziare un prezzo migliore se desideri più di qualche 100 pezzi.

— Il fotone il

@ ks0ze Questo è il prezzo effettivo del libro di Xilinx. Se ne vuoi solo alcuni, è probabilmente quello che dovrai pagare. Xilinx è un caso difficile con i prezzi, ma puoi contrattare se stai acquistando molto, sì. Non credo che ciò ci dica altro, tranne che gli FPGA non vengono acquistati e venduti in quantità sufficientemente grandi da avere una struttura dei prezzi altamente stabile. Considera i margini di sconto all'ingrosso che otterresti su prodotti ad alto volume come le CPU Intel, ad esempio. Forse un po 'per cento, ma quel prezzo non si muove molto. Lo stesso con gli switch Ethernet e gli XBox, che è il punto di tutta questa risposta.

— J ...