¿Por qué los FPGA son tan caros?

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Quiero decir, en comparación con los IC (ASIC) con una complejidad, velocidad, etc. similares. Comparemos los conmutadores Ethernet con los FPGA de Kintex (tenga en cuenta que el conmutador más caro de la lista es casi tan caro como el Kintex más barato):

Los FPGA son circuitos integrados bien estructurados (como las RAM). Se pueden escalar y desarrollar fácilmente.
Las herramientas de diseño ( Vivado , Quartus , etc.) también son caras, por lo que creo que el precio de un FPGA es el precio del IC (y el desarrollo) en sí mismo, excluyendo el costo del soporte y las herramientas. (Algunos proveedores que no son FPGA ofrecen herramientas gratuitas cuyo costo de desarrollo incluye el precio de IC).

¿Se producen FPGA en cantidades más bajas que otros circuitos integrados? ¿O hay algún arnés tecnológico?

fpga

— betontalpfa
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Creo que alguien ha hecho Ph.D. tesis en ciencias empresariales sobre el tema. No es una cuestión técnica, es más una cuestión comercial que implica la comparación tecnológica de manzanas con naranjas. La regla principal es que las herramientas de desarrollo (productos) son siempre más caras que los productos de consumo, por varias razones, desde la estimación de ingresos / costos y la demanda del mercado, y la disponibilidad de productos competitivos (funcionales).

— Anónimo el

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¿Alguna vez has visto un FPGA de gama alta y todas las características que ofrece? Está lejos de ser trivial hacer que todo funcione bien juntos y anticipar las posibles interacciones. Un ASIC igualmente complejo también es caro como el infierno en los mismos números, el punto donde los ASIC se vuelven más baratos es cuando se venden por millones. Y su comparación es bastante injusta porque los conmutadores de Ethernet generalmente no contienen tanta complejidad como un FPGA con todo el acondicionamiento de señal y PLL y miles de pines GPIO.

— PlasmaHH

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No entiendo la comparación. Fpga cuesta entre 80 centavos y 50000 dólares, dependiendo del tamaño y las características Los conmutadores Ethernet comienzan en 20 dólares y suben al menos hasta varios cientos de miles de dólares, dependiendo de su tamaño y características.

— asdfex

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Como alguien que trabaja tanto con FPGA como con conmutadores ethernet: ¿por qué esos son sus dos puntos de datos?

— DonFusili

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Lamento ser duro pero: "Un chip que puede hacer todo es más caro que un chip que solo puede hacer 1 cosa". ¿Cómo es eso incluso una pregunta?

— Agent_L

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Los chips FPGA incluyen conexiones tanto lógicas como programables entre elementos lógicos, mientras que los ASIC incluyen solo la lógica.

Se sorprenderá de la cantidad de área de chip dedicada al "tejido de conexión" en un FPGA: es fácilmente el 90% o más del chip. Esto significa que los FPGA usan al menos 10 veces el área del chip de un ASIC equivalente, ¡y el área del chip es costosa!

Cuesta una cierta cantidad hacer todo el procesamiento en una oblea de silicio dada, sin importar cuántos chips individuales tenga. Por lo tanto, para una primera aproximación, el costo del chip es directamente proporcional a su área. Sin embargo, hay varios factores que lo hacen peor que eso. Primero, las virutas más grandes significan que hay menos sitios utilizables en la oblea: las obleas son redondas, las virutas son cuadradas y se pierde mucha área alrededor de los bordes. Y las densidades de defectos tienden a ser constantes a través de la oblea, lo que significa que la probabilidad de obtener un chip sin un defecto (es decir, "rendimiento") disminuye con el tamaño del chip.

— Dave Tweed
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Ciertamente, un ASIC necesitará algún nivel de conexión interna. Creo que quiere decir que el FPGA tiene un montón de conectividad, cables y conmutadores que lo acompañan, yendo a lugares que no necesariamente necesita, mientras que los ASIC se construyen solo con los que necesita.

— user71659

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Los FPGA probablemente requieren más tiempo de prueba, y el tiempo de prueba tampoco es barato.

— Nick Alexeev

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@awjlogan No con las grandes obleas modernas: AFAIK utilizan un proceso de "paso y repetición" .

— Tom Carpenter

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@HarrySvensson: De la definición del archivo Jargon para nanoacre : "Una unidad (aproximadamente 2 mm cuadrados) de bienes inmuebles en un chip VLSI. El término obtiene su valor de risa del hecho de que los nanoacres VLSI tienen costos en el mismo rango que los acres reales una vez uno figura en los costos de diseño y fabricación-instalación ". Esto ha sido cierto por mucho tiempo.

— Dave Tweed

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Todo dicho y hecho, el dado físico real que sale de un fab realmente no es tan costoso, siempre me molesta que un gran IC tiende a costar una fracción del paquete en el que se están colocando. Donde el área se vuelve realmente costosa es el rendimiento. Una oblea tiene defectos, y los CI que son 100 a una oblea serían 10 veces más propensos a fallar debido a un defecto que los IC que son 1000 a una oblea. Sin mencionar los gastos adicionales de pruebas e ingeniería que conlleva. Un FPGA puede estar limitado por la retícula, que es el tamaño máximo permitido por la tecnología, a> 25 mm x 25 mm, mientras que un IC común será de solo ~ 4 mm ^ 2.

— Edgar Brown

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Otro factor clave del costo es la verificación.

Los FPGA deben probarse individualmente antes de la venta. Esto es en parte para asegurar que todos los miles a varios millones de interconexiones de enrutamiento y celdas lógicas sean funcionales. Sin embargo, la verificación también implica la caracterización y el agrupamiento de grados de velocidad: determinar qué tan rápido puede operar el silicio y que la velocidad y los retrasos de propagación de todas las interconexiones y celdas coinciden adecuadamente con los modelos de sincronización para su grado.

Para los diseños ASIC, las pruebas son típicamente más simples: un sí-no, el diseño funciona como se esperaba. Como tal, el tiempo requerido para la verificación es probablemente mucho menor y, por lo tanto, más barato de realizar.

— Tom Carpenter
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Los ASIC generalmente se prueban con una cadena de escaneo. No veo ninguna razón por la cual esto no sería posible para los FPGA. También hay ASIC que se calibran y prueban individualmente a diferentes temperaturas y todavía se venden por un par de dólares.

— Michael

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Con un ASIC, la operación correcta ya está definida: con un FPGA, necesita que funcione correctamente

— SIN TENER EN CUENTA

ASICS y otros chips se prueban y, a menudo, se agrupan por velocidad. Aceptaría esto como un argumento válido si alguien pudiera producir incluso números aproximados de cuánto tiempo necesita un FPGA para sentarse en un banco de pruebas en comparación con otros tipos de chips. Mi intuición es que, incluso si se necesitan pruebas más largas, el resto del proceso de fabricación probablemente sea dominante en términos de contribuciones a los costos de producción. Para mantener el rendimiento, pueden necesitar una línea de prueba más grande para compensar los tiempos de prueba individuales más largos, pero es una parte tan pequeña del proceso de producción que me mantengo escéptico ...

— J ...

@rackandboneman También se define la operación correcta para un FPGA. Pueden probar cada elemento lógico e interconexión por separado. Lo que estás diciendo sería como decir que las CPU no se pueden probar porque necesitan funcionar correctamente independientemente del software que se ejecute en ellas.

— user253751

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Hay un (más) punto importante que generalmente se pasa por alto, la tecnología de procesos.

Los FPGA que tienen una alta cuota de mercado se fabrican con tecnología de punta. Para ser más específicos, los FPGA Kintex-7 tienen un proceso TSMC de 28nm y su envío comenzó en 2011 ^[1] . TSMC había comenzado la producción en masa de 28 nm en el mismo año ^[2] .

[1] Xilinx envía los primeros FPGA Kintex-7 de 28 nm (por Clive Maxfield, 21/03/11)

[2] Chang dijo: "Nuestra producción de volumen de 28 nm entró el año pasado y contribuyó con el 2 por ciento de los ingresos de obleas del 4T11".

No conozco el proceso de los conmutadores de Ethernet, pero la mayoría de las empresas de diseño de ASIC no siguen la tecnología de punta. Tampoco tiene sentido para las fundiciones.

El siguiente cuadro muestra los ingresos de TSMC por tecnología ( 1T18 ). Incluso en 2018, el 39% de los ingresos proviene de tecnologías anteriores a 28 nm. Si pensamos en la cantidad de chips, no es difícil imaginar que más de la mitad de los ASIC se fabrican hoy con tecnologías más antiguas que Kintex-7 de 7 años.

Como conclusión, la tecnología de proceso es uno de los factores que encarece los FPGA. No pretendo que sea un factor dominante, pero lo suficientemente significativo como para ser considerado.

— ahmedus
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¿Qué proceso se crea Artix-7?

— iBug

@iBug Lo mismo con Kintex-7.

— ahmedus

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Voy a arriesgarme y decir que esto está dominado por la simple oferta y demanda. Los conmutadores Ethernet se producen en masa con enormes economías de escala y se venden con descuentos sobre chips que no se usan tanto. Los FPGA, diría, no se implementan tan ampliamente como los conmutadores de Ethernet y, por lo tanto, cuestan más porque los costos de desarrollo e infraestructura se extienden entre menos clientes.

No se trata del proceso o el tamaño de la matriz o algo así. Considere el Xilinx Virtex-7 (solo porque pude encontrar más fácilmente los datos para él) y comparemos con algunos contemporáneos:

Virtex7 (2011), 28nm, ~ 6.8 billones de transistores, $ 2500USD (modelos populares) a $ 35,000USD (modelos de gama alta)
NVIDIA Kepler GK110 (2012), 28nm, ~ 7.1 mil millones de transistores, tarjetas Tesla K20 ~ $ 3200USD en el lanzamiento (precio del chip una fracción menor de eso)
XBoxOne SOC (2013), 28nm, ~ 5 mil millones de transistores, $ 499 USD para toda la XBox en el lanzamiento
Xeon E5-2699 v3 [18 núcleos] (2014), 22 nm, ~ 5.600 millones de transistores, ~ $ 4500USD

Entonces, en general, el Virtex FPGA parece tener un precio razonable (modelos más populares) en comparación con otro silicio de un conteo de transistores, generación y volumen de ventas similares. El XBox SOC se destaca como algo que se implementó ampliamente en un dispositivo de consumo y el costo también es mucho más bajo.

El cómputo GK110 de NVIDIA fue mucho menos implementado que chips de consumo similares que terminaron en tarjetas de juego y fue igualmente más costoso, incluso dadas las similitudes arquitectónicas y el hecho de que los chips se fabricaron en la misma fábrica.

En cuanto a los chips Virtex, no hay una diferencia de 10 veces en la complejidad de los chips de $ 2500 frente a los chips de $ 35000: estos últimos son simplemente mucho menos populares y, con volúmenes de ventas más bajos, el costo por unidad es necesariamente más alto.

El mercado está lleno de esto. Cualquier cosa que puedas vender cien millones de ti siempre puede ser más barata que algo que tal vez vendas cien mil.

— J ...
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No creo que pueda confiar en el precio de $ 35,000 de digikey o en cualquier lugar para ser una representación precisa del precio de la cantidad real. Probablemente más cerca de $ 5k ... en el lanzamiento ...

— ks0ze

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No estoy seguro de cuán cierto es esto, pero me hicieron creer que las consolas como la Xbox generalmente se venden a pérdida o al costo, y la diferencia se recupera a través de las ventas de juegos.

— Éliette el

@ ks0ze, muy pocos clientes compran chips de $ 35k en cantidades realmente grandes (por ejemplo, 10k / mes o más). Y la última vez que necesitaba comprarle a Xilinx, afirmaron que solo vendía a través de la distribución (si esto es realmente cierto al comprar miles de unidades que no sé).

— El Photon

Dicho esto, ciertamente puede llamar al distribuidor y negociar un mejor precio si desea más de unas 100 partes.

— El Photon

@ ks0ze Ese es el precio real del libro de Xilinx. Si desea solo unos pocos, eso es lo que probablemente tendrá que pagar. Xilinx son casos difíciles con los precios, pero puede regatear si está comprando mucho, sí. No creo que eso nos diga nada, excepto que los FPGA no se compran y venden en cantidades lo suficientemente grandes como para tener una estructura de precios altamente estable. Considere los márgenes de descuento a granel que obtendría en productos de alto volumen como las CPU Intel, por ejemplo. Tal vez un pequeño porcentaje, pero ese precio no se mueve mucho. Lo mismo ocurre con los conmutadores de Ethernet y XBoxes, que es el punto de toda esta respuesta.

— J ...