Mengapa FPGA begitu mahal?

Maksud saya dibandingkan dengan IC (ASIC) dengan kompleksitas, kecepatan, dll yang serupa. Mari kita bandingkan switch Ethernet dengan Kintex FPGA (perhatikan bahwa sakelar paling mahal dari daftar sekitar semahal Kintex termurah):

• FPGA adalah IC terstruktur dengan baik (seperti RAM). Mereka dapat ditingkatkan dan dikembangkan dengan mudah.
• Alat desain ( Vivado , Quartus , dll.) Juga mahal, jadi saya pikir harga FPGA adalah harga IC (dan pengembangan) itu sendiri tidak termasuk biaya dukungan dan alat. (Beberapa vendor non-FPGA memberikan alat gratis yang biaya pengembangannya termasuk harga IC.)

Apakah FPGA diproduksi dalam jumlah yang lebih rendah daripada IC lainnya? Atau adakah teknologi harness?

Chip FPGA termasuk logika dan koneksi yang dapat diprogram antara elemen-elemen logika, sementara ASIC hanya menyertakan logika.

Anda akan kagum pada berapa banyak area chip yang dikhususkan untuk "koneksi fabric" dalam FPGA - mudah 90% atau lebih dari chip. Ini berarti bahwa FPGA menggunakan setidaknya 10 × area chip ASIC yang setara, dan area chip mahal!

Biayanya sejumlah tertentu untuk melakukan semua pemrosesan pada wafer silikon yang diberikan, tidak peduli berapa banyak chip individu di dalamnya. Oleh karena itu, untuk perkiraan pertama, biaya chip berbanding lurus dengan luasnya. Namun, ada beberapa faktor yang membuatnya lebih buruk dari itu. Pertama, chip yang lebih besar berarti bahwa ada lebih sedikit situs yang dapat digunakan pada wafer untuk memulai - wafer bulat, chip berbentuk bujur sangkar, dan banyak area hilang di tepinya. Dan kepadatan cacat cenderung konstan di seluruh wafer, yang berarti bahwa kemungkinan mendapatkan chip tanpa cacat (yaitu, "hasil") turun dengan ukuran chip.

Penggerak utama biaya lainnya adalah verifikasi.

FPGA harus diuji secara individual sebelum dijual. Ini sebagian untuk memastikan bahwa semua ribuan hingga beberapa juta rute interkoneksi dan sel-sel logika berfungsi. Namun verifikasi juga melibatkan penokohan dan pengelompokan tingkat kecepatan - yang menentukan seberapa cepat silikon dapat beroperasi dan bahwa penundaan kecepatan dan perbanyakan semua banyak interkoneksi dan sel disesuaikan dengan model waktu untuk tingkatnya.

Untuk desain ASIC, pengujian biasanya lebih sederhana - ya-tidak apakah kinerja tersebut berfungsi seperti yang diharapkan. Dengan demikian waktu yang dibutuhkan untuk verifikasi kemungkinan jauh lebih sedikit, dan dengan demikian lebih murah untuk dilakukan.

Ada satu (lebih) poin penting yang biasanya diabaikan, yaitu teknologi proses.

FPGA yang memiliki pangsa pasar tinggi diproduksi dengan teknologi mutakhir. Untuk lebih spesifik, Kintex-7 FPGA memiliki proses TSMC 28nm dan pengirimannya dimulai pada 2011 ^[1] . TSMC telah memulai produksi massal 28nm pada tahun yang sama ^[2] .

[1] Xilinx mengirimkan FPGA 28nm Kintex-7 pertama (By Clive Maxfield, 03.21.11)

[2] Chang berkata: "28-nm kami memasuki volume produksi tahun lalu dan menyumbang 2 persen dari pendapatan wafer 4Q11."

Saya tidak tahu proses switch ethernet, tetapi sebagian besar perusahaan desain ASIC tidak mengikuti teknologi canggih. Itu tidak masuk akal untuk pengecoran juga.

Bagan berikut menunjukkan pendapatan TSMC menurut teknologi ( 1Q18 ). Bahkan pada 2018, 39% pendapatan berasal dari teknologi yang lebih tua dari 28nm. Jika kita berpikir tentang jumlah chip, tidak sulit untuk membayangkan bahwa lebih dari setengah ASIC saat ini diproduksi dengan teknologi yang lebih tua dari Kintex-7 yang berusia 7 tahun.

Sebagai kesimpulan, teknologi proses adalah salah satu faktor yang membuat FPGA lebih mahal. Saya tidak mengklaim itu adalah faktor dominan, tetapi cukup signifikan untuk dipertimbangkan.

Saya akan mengambil risiko dan mengatakan bahwa ini jauh didominasi oleh penawaran dan permintaan sederhana. Switch Ethernet diproduksi secara massal dengan skala ekonomis besar dan dijual dengan diskon lebih dari chip yang tidak begitu banyak digunakan. FPGA, saya katakan, tidak begitu banyak digunakan sebagai switch ethernet dan karena itu harganya lebih mahal karena biaya pengembangan dan infrastruktur tersebar di lebih sedikit pelanggan.

Ini bukan tentang proses atau ukuran die atau semacamnya. Pertimbangkan Xilinx Virtex-7 (hanya karena saya bisa lebih mudah menemukan data untuknya) dan mari kita bandingkan dengan beberapa orang sezaman:

• Virtex7 (2011), 28nm, ~ 6,8 miliar transistor, $ 2500USD (model populer) hingga $ 35.000USD (model akhir yang lebih tinggi)
• NVIDIA Kepler GK110 (2012), 28nm, ~ 7,1 miliar transistor, kartu Tesla K20 ~ $ 3.200 USD saat diluncurkan (harga chip sebagian kecil dari itu)
• XBoxOne SOC (2013), 28nm, ~ 5 miliar transistor, $ 499 USD untuk seluruh XBox saat diluncurkan
• Xeon E5-2699 v3 [18 core] (2014), 22nm, ~ 5,6 miliar transistor, ~ $ 4500USD

Jadi secara keseluruhan Virtex FPGA tampaknya cukup murah (model yang lebih populer) dibandingkan dengan silikon lain dari jumlah transistor yang sama, generasi, dan volume penjualan. SOC XBox menonjol sebagai sesuatu yang secara luas digunakan dalam perangkat konsumen dan biayanya juga jauh lebih rendah.

NVIDIA's compute GK110 jauh lebih sedikit digunakan daripada chip konsumen serupa yang berakhir pada kartu game dan juga lebih mahal, bahkan mengingat kesamaan arsitektur dan fakta bahwa chip dibuat di pabrik yang sama.

Adapun chip Virtex, tidak ada perbedaan 10x dalam kompleksitas chip $ 2500 vs chip $ 35000 - yang terakhir jauh lebih populer dan, dengan volume penjualan yang lebih rendah, biaya per unit tentu lebih tinggi.

Pasar penuh dengan ini. Apa pun yang bisa Anda jual seratus juta, Anda selalu bisa membuat lebih murah daripada sesuatu yang mungkin Anda jual seratus ribu.