Warum sind FPGAs so teuer?

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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?

betontalpfa
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Ich denke, jemand hat promoviert. Diplomarbeit in Wirtschaftswissenschaften zu diesem Thema. Es ist keine technische Frage, es ist eher eine geschäftliche Frage, bei der es um den technischen Vergleich von Äpfeln mit Orangen geht. Die Hauptregel lautet: Entwicklungstools (Produkte) sind immer teurer als Konsumgüter. Dies hängt aus verschiedenen Gründen von der Umsatz- / Kostenschätzung, der Marktnachfrage und der Verfügbarkeit konkurrierender (funktionaler) Produkte ab.
Anonym
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Haben Sie sich jemals mit einem High-End-FPGA und all seinen Funktionen befasst? Es ist alles andere als trivial, dafür zu sorgen, dass alles gut zusammenarbeitet und mögliche Wechselwirkungen antizipiert werden. Ein ähnlich komplexer ASIC ist in der gleichen Anzahl auch verdammt teuer. Der Punkt, an dem ASICs billiger werden, ist, wenn sie millionenfach verkauft werden. Und Ihr Vergleich ist ziemlich unfair, da Ethernet-Switches im Allgemeinen nicht annähernd so komplex sind wie ein FPGA mit allen PLL- und Signalkonditionierungs- und Tausenden von GPIO-Pins.
PlasmaHH
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Ich verstehe den Vergleich nicht. Fpga kostet zwischen 80 Cent und 50000 US-Dollar - je nach Größe und Ausstattung. Ethernet-Switches kosten ab 20 US-Dollar bis zu mehreren hunderttausend US-Dollar, je nach Größe und Ausstattung.
ASDFEX
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Als jemand, der sowohl mit FPGAs als auch mit Ethernet-Switches arbeitet: Warum sind das Ihre beiden Datenpunkte?
DonFusili
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Tut mir leid, aber: "Ein Chip, der alles kann, ist teurer als ein Chip, der nur eins kann". Wie ist das überhaupt eine Frage?
Agent_L

Antworten:

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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.

Dave Tweed
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Sicherlich benötigt ein ASIC eine gewisse interne Verbindung. Ich denke, Sie meinen, der FPGA verfügt über eine Reihe von Anschlüssen, Kabeln und zugehörigen Schaltern, die zu Orten führen, die Sie nicht unbedingt benötigen, wohingegen ASICs nur mit denjenigen aufgebaut sind, die Sie benötigen.
user71659
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FPGAs benötigen wahrscheinlich mehr Testzeit, und auch die Testzeit ist nicht billig.
Nick Alexeev
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@awjlogan Nicht bei modernen riesigen Wafern - AFAIK verwenden sie einen "step and repeat" -Prozess .
Tom Carpenter
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@HarrySvensson: Aus der Jargon- Dateidefinition für Nanoacre : "Eine Einheit (ungefähr 2 mm²) Immobilien auf einem VLSI-Chip. Der Begriff erhält seinen Kichernswert aus der Tatsache, dass VLSI-Nanoacre einmal Kosten in der gleichen Größenordnung wie echte Morgen haben Ein Zahlenwert bei den Kosten für Design und Herstellung. " Das ist schon sehr lange so.
Dave Tweed
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Alles gesagt und getan, der tatsächliche physische Würfel, der aus einer Fabrik kommt, ist wirklich nicht so teuer. Es stört mich immer, dass ein großer IC dazu neigt, einen Bruchteil des Pakets zu kosten, in das sie eingesetzt werden. Wo Fläche wirklich teuer wird, ist Ertrag. Ein Wafer weist Defekte auf, und ICs, die für einen Wafer 100 sind, würden aufgrund eines Defekts mit 10-facher Wahrscheinlichkeit ausfallen als ICs, die für einen Wafer 1000 sind. Ganz zu schweigen von den zusätzlichen Kosten für Tests und Engineering. Ein FPGA kann absehenbegrenzt sein, dh die von der Technologie maximal zulässige Größe, bei> 25 mm x 25 mm, während ein herkömmlicher IC nur ~ 4 mm x 2 beträgt.
Edgar Brown
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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.

Tom Carpenter
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ASICs werden normalerweise mit einer Scan-Kette getestet. Ich sehe keinen Grund, warum dies für FPGAs nicht möglich wäre. Es gibt auch ASICs, die individuell kalibriert und bei verschiedenen Temperaturen getestet werden und die sich immer noch für ein paar Dollar verkaufen.
Michael
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Bei einem ASIC ist die korrekte Funktionsweise bereits definiert. Bei einem FPGA muss dieser unabhängig von der (benutzerdefinierten) Funktionsweise korrekt funktionieren.
rackandboneman
ASICS und andere Chips werden alle getestet und häufig aus Gründen der Geschwindigkeit klassifiziert. Ich würde dies als gültiges Argument akzeptieren, wenn jemand im Vergleich zu anderen Chipsorten gerade grobe Zahlen für die Dauer eines FPGAs auf einem Prüfstand erstellen könnte. Meiner Intuition nach ist der Rest des Herstellungsprozesses, selbst wenn längere Tests erforderlich sind, hinsichtlich der Beiträge zu den Produktionskosten wahrscheinlich dominant. Um den Durchsatz aufrechtzuerhalten, benötigen sie möglicherweise eine größere Testlinie, um die längeren einzelnen Testzeiten auszugleichen, aber es ist ein so kleiner Teil des Produktionsprozesses, dass ich skeptisch bleibe ...
J ...
@rackandboneman Der korrekte Betrieb für ein FPGA ist ebenfalls definiert. Sie können jedes Logikelement und jede Verschaltung einzeln testen. Was Sie sagen, ist, als würden Sie sagen, dass CPUs nicht getestet werden können, da sie unabhängig davon, welche Software auf ihnen ausgeführt wird, ordnungsgemäß funktionieren müssen.
user253751
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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.

TSMC-Umsatz nach Technologie

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.

ahmedus
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Welcher Prozess wird in Artix-7 erstellt?
iBug
@iBug Das gleiche gilt für Kintex-7.
Ahmedus
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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.

J ...
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Ich glaube nicht, dass Sie dem Preis von 35.000 US-Dollar von digikey vertrauen können oder wo auch immer, um eine genaue Darstellung der tatsächlichen Mengenpreise zu erhalten. Wahrscheinlich näher an $ 5k ... beim Start ...
ks0ze
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Ich bin mir nicht sicher, wie wahr das ist, aber ich bin zu der Annahme gelangt, dass Konsolen wie die Xbox in der Regel entweder mit Verlust oder zu Kosten verkauft werden und die Differenz durch Spielverkäufe wieder wettgemacht wird.
Éliette
@ ks0ze, sehr wenige Kunden kaufen Chips im Wert von 35.000 USD in wirklich großen Mengen (etwa 10.000 USD / Monat oder mehr). Und als ich das letzte Mal bei Xilinx einkaufen musste, gaben sie an, dass sie nur über den Vertrieb verkaufen (ob dies tatsächlich zutrifft, wenn ich 1000 Einheiten kaufe, die ich nicht kenne).
Das Photon
Allerdings können Sie den Händler anrufen und einen günstigeren Preis aushandeln, wenn Sie mehr als ein paar 100 Teile wünschen.
Das Photon
@ ks0ze Das ist der tatsächliche Buchpreis von Xilinx. Wenn Sie nur ein paar wollen, müssen Sie das wahrscheinlich bezahlen. Xilinx sind schwierige Fälle mit Preisen, aber Sie können handeln, wenn Sie viel kaufen, ja. Ich glaube nicht, dass das etwas aussagt, außer dass FPGAs nicht in ausreichenden Mengen gekauft und verkauft werden, um eine hochstabile Preisstruktur zu haben. Berücksichtigen Sie Mengenrabattspannen, die Sie beispielsweise bei Produkten mit hohen Stückzahlen wie Intel-CPUs erzielen. Vielleicht ein paar Prozent, aber dieser Preis bewegt sich nicht viel. Dasselbe gilt für Ethernet-Switches und XBoxes. Darum geht es in dieser ganzen Antwort.
J ...