1.9　数字IC设计与FPGA开发的区别

FPGA的特点是可实现硬件逻辑的灵活连接，元器件之间的连接关系可以修改，而普通芯片是固定的。FPGA配套的EDA是一个集成开发环境，它集编辑、语法检查、仿真、综合、布局布线、时序分析于一身。目前主流的三大FPGA厂商及其EDA开发环境见表1—3。

表1—3　主流的三大FPGA厂商及其EDA开发环境

数字IC设计和FPGA开发都需要写Verilog，综合时都要写sdc时序约束文件，因而数字IC设计人员和FPGA开发人员可以互通，但他们在工作流程和设计思路上存在一定的差异。

从研发步骤来看，数字IC的步骤更多，分工更精细。数字IC设计和验证是分开的，而FPGA的设计和验证工作通常情况下都由开发者完成。IC验证常用的工具是VCS，在服务器上工作，使用UVM验证方法学，而FPGA仿真常用ModelSim或FPGA厂商提供的EDA，在Windows系统下工作，使用普通的加激励观测输出的方式，甚至不加参考模型，通过人工识别结果的正确与错误。其他诸如语法规则检查、综合、布局布线、时序分析，数字IC都各有对应的EDA工具来完成，而FPGA一般会交给FPGA厂商提供的EDA按顺序逐项自动完成。当然，综合有时也会用Synplify等第三方工具。这些流程需要的设置选项通常也由设计开发者亲自填选。

数字IC的设计语法和FPGA的设计语法基本相同，所以很多用于芯片的模块，可以不经修改地直接在FPGA上使用，这就是FPGA可以作为验证芯片的硬件平台的原因。尽管如此，这两种硬件的设计表达方式仍然存在一些差异，主要表现为以下几点：

（1）FPGA内部集成了设计完善的PLL（锁相环）时钟网络，多数情况下，FPGA片外会加一个晶振，其内部需要的时钟信号都来自该晶振并通过PLL的分频，整个FPGA设计可以形成一个全同步的结构。只有在少数复杂设计中，FPGA片外才会带上两块乃至多块晶振，分别驱动其内部的电路，所以大多数FPGA设计，其时钟结构比较简单，容易操控，而在芯片上，通常会同时有多路异步时钟进入同一个模块，需要切换时钟使用，以便适应工作、休眠等不同应用场景。这也使芯片对功耗的控制比FPGA更灵活。FPGA无法真正关闭晶振，因而晶振的功耗无法排除，再加之其内部元器件结构的特殊性，即便FPGA再怎么使用省电设计，相对于芯片来讲，仍然是十分耗电的。

（2）FPGA与芯片在时钟结构上的不同，使在使用FPGA验证芯片功能时，芯片的时钟网络部分功能是无法被验到的，只能完全交由计算机仿真验证。

（3）FPGA的上电复位电路也是天然存在的，在许多由FPGA开发人员所写的Verilog中，甚至对触发器没有异步复位，FPGA仍能正常运行，而在数字IC设计中，每个触发器的异步复位是必须有的，否则芯片会工作在未知状态。

（4）在sdc时序约束的编写上，FPGA虽然也需要写，但要求远不及芯片严格。由于FPGA中时钟结构较为简单，在时钟约束方面就可以简化，没有很多异步时钟声明。设定时钟不确定性的语句，在Quartus中被简化为一句简单的derive_clock_uncertainty，而在芯片中需要仔细与负责时钟产生电路的模拟工程师讨论真正的uncertainty后才能实施约束。

（5）在IP的使用方面，FPGA的EDA工具自带一些免费和收费IP，开发者可以直接调用，而在芯片设计中，可以选择不同供应商的IP，可选择性比FPGA强，但获得IP后的集成过程需要开发人员花费较长的学习和熟悉时间，验证人员也需要对提供的IP进行验证，因而FPGA开发的速度一般比芯片设计快很多。

（6）对于输入输出共用的芯片引脚（inout类型引脚），在FPGA中表达很简单，可以使用下面的一句话来表达，其意思是如果out_en信号等于1，引脚 b 就输出 a 信号，否则引脚 b 就将被当作一个输入引脚。FPGA工具会自动将该语法与芯片引脚上的各控制信号相连。在芯片设计中，需要设计者手动将out_en、 a 、 b 等信号线与I/O器件相连。

     assign b ＝ out_en ? a : 1'bz

从硬件结构分析，数字芯片中的元器件都是真实元器件。例如，芯片设计中的与门，在电路中就对应一个真正的与门，而FPGA设计中的与门，却是由一个查找表（Look Up Table，LUT）实现。不仅是与门，FPGA中的其他电路也多是由LUT实现的。统一用LUT的好处就是保证了FPGA的可修改性，即一个LUT可以在不同的设计中用作不同的功能，但同时也增加了单个门电路的面积、功耗，并降低了处理速度。同一个功能，在芯片中实现比在FPGA中实现，其面积、功耗要小得多，同时速度也更快，因此，FPGA存在的主要价值是它的可修改性、易实现性，这是普通芯片做不到的。一个好的想法，使用FPGA实现，比从头开始研发一款芯片，周期短得多。当然，如果最终做成了芯片，则单片的成本会比FPGA有显著下降，但如果算上人力成本、时间成本、购买EDA、流片、封测的成本，则不一定划算。究竟是使用FPGA方案还是使用芯片方案，要看该产品的市场需求量。过去，我国芯片设计厂家尚为数不多的时代，很多做产品的厂商获得功能复杂、速度要求高的产品开发任务时，自然而然地会选择FPGA实现，最典型的是视频采集和处理领域，而当前，随着国内芯片设计实力的提升，产品厂商可能会请芯片厂商代为设计对应的芯片，而将FPGA作为芯片发布前的应急方案，或者将FPGA作为芯片研发中的一个验证环节。在未来，FPGA仍然不会被淘汰，但主要应用场景将从产品为主转换为实验为主，其在产品中的份额将渐渐被更快、更省电、成本更低的专用的芯片所取代。 l1kVufPHIY1B0ExVLSCOQjOk7pRKcw00szlfYtsEPjTX2wR/yCyUOdYCZHSC+OLm