转——为什么ASIC的频率可以达到GHz，而FPGA只能达到几百MHz？

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转——为什么ASIC的频率可以达到GHz，而FPGA只能达到几百MHz？

' ?. @. \) a9 }0 f  y6 Z为什么实现同样的电路，asic频率总是（几乎是一定）比FPGA要高？简单来看这是FPGA在要求“可重构”的特性时对速度做出的妥协。FPGA为了满足可重构的特性，被设计成了一个岛状的逻辑块矩阵电路，每个逻辑块里又有很多个相同的子逻辑块，每个子逻辑块中有要实现任意电路的各种元素，比如LUT（逻辑查找表），用于组合逻辑的构成，和FF（flip-flop，即触发器）用于时序电路的构成。逻辑块之间是布线管道，其中有各种固定长短的线（segment）和连接这些线的开关们（switch）。一块Asic电路要实现一个逻辑电路，只需按照你的电路设计图纸按原样把电路刻在芯片上，里面加法器就是你在数电课本中看到的加法器，乘法器就是你所熟知的乘法器，导线也是你熟悉的不能再熟悉的，没有中断的一根金属线而已。
: K! Z+ W3 b2 p, p' ?( T而FPGA呢？加法器可能已经不是你知道的那个加法器了（当然高端FPGA都有加法器的hard logic这个另算），它已经被FPGA综合工具变成了一堆LUTs，没错，就是前面所说的这些逻辑元素。乘法器同理。导线呢？不是一根不间断的直导线了，它首先要从一个逻辑块出发，先经过一个开关，进入布线管道，然后前面遇到了一个Switch Box（假设是Altera家的板子），也就是十字路口，经过十字路口中的开关跳转，它可能左拐了，然后又遇到一个SB，……几经周折，终于到了目的逻辑块的门口，又要经过一个开关，进入目的逻辑块和里面的逻辑元素相连，就这样构成一个可能再普通不过的加法器、乘法器，等等。
所以FPGA为什么频率肯定没有Asic高你现在一定清楚了。第一，实现同样的功能，FPGA需要更大的面积，在更大的面积的情况下，即使用纯导线，其导线总长度（或严格一点，critical path的导线长度）也要比asic的电路长吧？第二，其实也是最重要的一点，就是布线结构（routing architecture）非常复杂，一条导线从a到b，一般总要经过几个开关，而这些开关都是有延时的，这个延时非常大，是FPGA频率不得提高的主要原因。

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上图中粉色线为一整条等电平的“导线”，又臭又长。asic看到了肯定会嫌弃有没有啊……
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* {8 l7 B) p  B$ K1 F 上图绿色方块是一个SB！粉色线还是刚刚那条“导线”。注意是“一条”导线哦。现在知道FPGA中导线们的十字路口有多复杂了吗？
（工具用的是VPR [2]，学术界的开放综合工具。商业工具看不到这么详细的routing arch）
实际上，题主这个问题在06年已经被多伦多大学的课题组调研过了[1]，他们的研究表明，对于一个只有组合和时序逻辑（没有memory等）的电路来说，平均下来，在FPGA上实现需要40倍于asic电路的面积，3~4倍的关键路径延时，和12倍的功耗。而这里面其实吧，大多数都是布线结构的锅。面积上，布线结构一般要占FPGA总面积的60~70%左右，延时上，这个数字只会更高。所以FPGA的布线结构和布局布线算法是一个FPGA领域中很重要的一个研究方向。
* o! k8 ?; H  H" s8 ]要使FPGA做到完全和asic速度一样快应该是不可能的，这是由它的可重构特性直接决定的。但折中的办法不是没有，比如我前面提到hard logic，就是把一些通常使用频次很高的逻辑电路直接以asic的方式嵌入到FPGA里面，比如加法器乘法器等等，一旦要用到它们，也就不用再像以前那样用好多个逻辑块来造它了，这样就减小了面积、提高了速度、降低了功耗。现在高端一点的FPGA里面不仅有这些加法乘法器的小玩意，还有存储器，DSP，微处理器等等。它们的目的都是相同的，就是为了在保证可重构特性的情况下，尽量拉近与asic电路的距离，提高性能。
为了提高速度，还有很多方法，比如用流水线对逻辑做分段等等，这里就不多说啦。题主还有什么问题还都可以问我~

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helendcany

讲的很不错