到底什么是 ASIC 和 FPGA？

上一篇文章（链接），小枣君给大家介绍了 CPU 和 GPU。今天，我继续介绍计算芯片领域的另外两位主角 ——ASIC 和 FPGA。

█ASIC（专用集成电路）

上篇提到，GPU 的并行算力能力很强，但是它也有缺点，就是功耗高，体积大，价格贵。

进入 21 世纪后，算力需求呈现两个显著趋势：一，算力的使用场景，开始细分；二，用户对算力性能的要求，越来越高。通用的算力芯片，已经无法满足用户的需求。

于是，越来越多的企业，开始加强对专用计算芯片的研究和投资力度。而 ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路），就是一种专用于特定任务的芯片。

ASIC 的官方定义，是指：应特定用户的要求，或特定电子系统的需要，专门设计、制造的集成电路。

ASIC 起步于上世纪 70-80 年代。早期的时候，曾用于计算机。后来，主要用于嵌入式控制。这几年，如前面所说，开始崛起，用于 AI 推理、高速搜索以及视觉和图像处理等。

说到 ASIC，我们就不得不提到 Google 公司大名鼎鼎的TPU。

TPU，全称 Tensor Processing Unit，张量处理单元。所谓“张量（tensor）”，是一个包含多个数字（多维数组）的数学实体。

目前，几乎所有的机器学习系统，都使用张量作为基本数据结构。所以，张量处理单元，我们可以简单理解为“AI 处理单元”。

2015 年，为了更好地完成自己的深度学习任务，提升 AI 算力，Google 推出了一款专门用于神经网络训练的芯片，也就是 TPU v1。

相比传统的 CPU 和 GPU，在神经网络计算方面，TPU v1 可以获得 15~30 倍的性能提升，能效提升更是达到 30~80 倍，给行业带来了很大震动。

2017 年和 2018 年，Google 又再接再厉，推出了能力更强的 TPU v2 和 TPU v3，用于 AI 训练和推理。2021 年，他们推出了 TPU v4，采用 7nm 工艺，晶体管数达到 220 亿，性能相较上代提升了 10 倍，比英伟达的 A100 还强 1.7 倍。

除了 Google 之外，还有很多大厂这几年也在捣鼓 ASIC。

英特尔公司在 2019 年底收购了以色列 AI 芯片公司 Habana Labs，2022 年，发布了 Gaudi 2 ASIC 芯片。IBM 研究院，则于 2022 年底，发布了 AI ASIC 芯片 AIU。

三星早几年也搞过 ASIC，当时做的是矿机专用芯片。没错，很多人认识 ASIC，就是从比特币挖矿开始的。相比 GPU 和 CPU 挖矿，ASIC 矿机的效率更高，能耗更低。

ASIC 矿机

除了 TPU 和矿机之外，另外两类很有名的 ASIC 芯片，是DPU和NPU。

DPU 是数据处理单元（Data Processing Unit），主要用于数据中心。小枣君之前曾经专门介绍过，可以看这里：火遍全网的 DPU，到底是个啥？

NPU 的话，叫做神经网络处理单元（Neural Processing Unit），在电路层模拟人类神经元和突触，并用深度学习指令集处理数据。

NPU 专门用于神经网络推理，能够实现高效的卷积、池化等操作。一些手机芯片里，经常集成这玩意。

说到手机芯片，值得一提的是，我们手机现在的主芯片，也就是常说的 SoC 芯片，其实也是一种 ASIC 芯片。

手机 SoC 芯片

ASIC 作为专门的定制芯片，优点体现在哪里？只是企业独享，专用 logo 和命名？

不是的。

定制就是量体裁衣。基于芯片所面向的专项任务，芯片的计算能力和计算效率都是严格匹配于任务算法的。芯片的核心数量，逻辑计算单元和控制单元比例，以及缓存等，整个芯片架构，也是精确定制的。

所以，定制专用芯片，可以实现极致的体积、功耗。这类芯片的可靠性、保密性、算力、能效，都会比通用芯片（CPU、GPU）更强。

大家会发现，前面我们提到的几家 ASIC 公司，都是谷歌、英特尔、IBM、三星这样的大厂。

这是因为，对芯片进行定制设计，对一家企业的研发技术水平要求极高，且耗资极为巨大。

做一款 ASIC 芯片，首先要经过代码设计、综合、后端等复杂的设计流程，再经过几个月的生产加工以及封装测试，才能拿到芯片来搭建系统。

大家都听说过“流片（Tape-out）”。像流水线一样，通过一系列工艺步骤制造芯片，就是流片。简单来说，就是试生产。

ASIC 的研发过程是需要流片的。14nm 工艺，流片一次需要 300 万美元左右。5nm 工艺，更是高达 4725 万美元。

流片一旦失败，钱全部打水漂，还耽误了大量的时间和精力。一般的小公司，根本玩不起。

那么，是不是小公司就无法进行芯片定制了呢？

当然不是。接下来，就轮到另一个神器出场了，那就是 ——FPGA。

█FPGA（现场可编程门阵列）

FPGA，英文全称 Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列。

FPGA 这些年在行业里很火，势头比 ASIC 还猛，甚至被人称为“万能芯片”。

其实，简单来说，FPGA 就是可以重构的芯片。它可以根据用户的需要，在制造后，进行无限次数的重复编程，以实现想要的数字逻辑功能。

之所以 FPGA 可以实现 DIY，是因为其独特的架构。

FPGA 由可编程逻辑块（Configurable Logic Blocks，CLB）、输入 / 输出模块（I / O Blocks，IOB）、可编程互连资源（Programmable Interconnect Resources，PIR）等三种可编程电路，以及静态存储器 SRAM 共同组成。

CLB 是 FPGA 中最重要的部分，是实现逻辑功能的基本单元，承载主要的电路功能。

它们通常规则排列成一个阵列（逻辑单元阵列，LCA，Logic Cell Array），散布于整个芯片中。

IOB 主要完成芯片上的逻辑与外部引脚的接口，通常排列在芯片的四周。

PIR 提供了丰富的连线资源，包括纵横网状连线、可编程开关矩阵和可编程连接点等。它们实现连接的作用，构成特定功能的电路。

静态存储器 SRAM，用于存放内部 IOB、CLB 和 PIR 的编程数据，并形成对它们的控制，从而完成系统逻辑功能。

CLB 本身，又主要由查找表（Look-Up Table，LUT）、多路复用器（Multiplexer）和触发器（Flip-Flop）构成。它们用于承载电路中的一个个逻辑“门”，可以用来实现复杂的逻辑功能。

简单来说，我们可以把 LUT 理解为存储了计算结果的 RAM。当用户描述了一个逻辑电路后，软件会计算所有可能的结果，并写入这个 RAM。每一个信号进行逻辑运算，就等于输入一个地址，进行查表。LUT 会找出地址对应的内容，返回结果。

这种“硬件化”的运算方式，显然具有更快的运算速度。

用户使用 FPGA 时，可以通过硬件描述语言（Verilog 或 VHDL），完成的电路设计，然后对 FPGA 进行“编程”（烧写），将设计加载到 FPGA 上，实现对应的功能。

加电时，FPGA 将 EPROM（可擦编程只读存储器）中的数据读入 SRAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失。如此反复，就实现了“现场”定制。

FPGA 的功能非常强大。理论上，如果 FPGA 提供的门电路规模足够大，通过编程，就能够实现任意 ASIC 的逻辑功能。

FPGA 开发套件，中间那个是 FPGA 芯片

我们再看看 FPGA 的发展历程。

FPGA 是在 PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上发展起来的产物，属于一种半定制电路。

它诞生于 1985 年，发明者是 Xilinx 公司（赛灵思）。后来，Altera（阿尔特拉）、Lattice（莱迪思）、Microsemi（美高森美）等公司也参与到 FPGA 这个领域，并最终形成了四巨头的格局。

2015 年 5 月，Intel（英特尔）以 167 亿美元的天价收购了 Altera，后来收编为 PSG（可编程解决方案事业部）部门。

2020 年，Intel 的竞争对手 AMD 也不甘示弱，以 350 亿美元收购了 Xilinx。

于是，就变成了 Xilinx（AMD 旗下）、Intel、Lattice 和 Microsemi 四巨头（换汤不换药）。

2021 年，这四家公司的市占率分别为 51%、29%、7% 和 6%，加起来是全球总份额的 93%。

不久前，2023 年 10 月，Intel 宣布计划拆分 PSG 部门，独立业务运营。

国内 FPGA 厂商的话，包括复旦微电、紫光国微、安路科技、东土科技、高云半导体、京微齐力、京微雅格、智多晶、遨格芯等。看上去数量不少，但实际上技术差距很大。

█ASIC 和 FPGA 的区别

接下来，我们重点说说 ASIC 和 FPGA 的区别，还有它们和 CPU、GPU 之间的区别。

ASIC 和 FPGA，本质上都是芯片。AISC 是全定制芯片，功能写死，没办法改。而 FPGA 是半定制芯片，功能灵活，可玩性强。

我们还是可以通过一个例子，来说明两者之间的区别。

ASIC 就是用模具来做玩具。事先要进行开模，比较费事。而且，一旦开模之后，就没办法修改了。如果要做新玩具，就必须重新开模。

而 FPGA 呢，就像用乐高积木来搭玩具。上手就能搭，花一点时间，就可以搭好。如果不满意，或者想搭新玩具，可以拆开，重新搭。

ASIC 与 FPGA 的很多设计工具是相同的。在设计流程上，FPGA 没有 ASIC 那么复杂，去掉了一些制造过程和额外的设计验证步骤，大概只有 ASIC 流程的 50%-70%。最头大的流片过程，FPGA 是不需要的。

这就意味着，开发 ASIC，可能需要几个月甚至一年以上的时间。而 FPGA，只需要几周或几个月的时间。

刚才说到 FPGA 不需要流片，那么，是不是意味着 FPGA 的成本就一定比 ASIC 低呢？

不一定。

FPGA 可以在实验室或现场进行预制和编程，不需要一次性工程费用 （NRE）。但是，作为“通用玩具”，它的成本是 ASIC（压模玩具）的 10 倍。

如果生产量比较低，那么，FPGA 会更便宜。如果生产量高，ASIC 的一次性工程费用被平摊，那么，ASIC 反而便宜。

这就像开模费用。开模很贵，但是，如果销量大，开模就划算了。

如下图所示，40W 片，是 ASIC 和 FPGA 成本高低的一个分界线。产量少于 40W，FPGA 便宜。多于 40W，ASIC 便宜。

从性能和功耗的角度来看，作为专用定制芯片，ASIC 是比 FPGA 强的。

FPGA 是通用可编辑的芯片，冗余功能比较多。不管你怎么设计，都会多出来一些部件。

前面小枣君也说了，ASIC 是贴身定制，没什么浪费，且采用硬连线。所以，性能更强，功耗更低。

FPGA 和 ASIC，不是简单的竞争和替代关系，而是各自的定位不同。

FPGA 现在多用于产品原型的开发、设计迭代，以及一些低产量的特定应用。它适合那些开发周期必须短的产品。FPGA 还经常用于 ASIC 的验证。

ASIC 用于设计规模大、复杂度高的芯片，或者是成熟度高、产量比较大的产品。

FPGA 还特别适合初学者学习和参加比赛。现在很多大学的电子类专业，都在使用 FPGA 进行教学。

从商业化的角度来看，FPGA 的主要应用领域是通信、国防、航空、数据中心、医疗、汽车及消费电子。

FPGA 在通信领域用得很早。很多基站的处理芯片（基带处理、波束赋形、天线收发器等），都是用的 FPGA。核心网的编码和协议加速等，也用到它。数据中心之前在 DPU 等部件上，也用。

后来，很多技术成熟了、定型了，通信设备商们就开始用 ASIC 替代，以此减少成本。

值得一提的是，最近这些年很热门的 Open RAN，其实很多都是采用通用处理器（Intel CPU）进行计算。这种方案的能耗远远不如 FPGA 和 ASIC。这也是包括华为等设备商不愿意跟进 Open RAN 的主要原因之一。

汽车和工业领域，主要是看中了 FPGA 的时延优势，所以会用在 ADAS（高级驾驶辅助系统）和伺服电机驱动上。

消费电子用 FPGA，是因为产品迭代太快。ASIC 的开发周期太长了，等做出东西来，黄花菜都凉了。

█FPGA、ASIC、GPU，谁是最合适的 AI 芯片？

最后，我们还是要绕回到 AI 芯片的话题。

上一期，小枣君埋了一个雷，说 AI 计算分训练和推理。训练是 GPU 处于绝对领先地位，而推理不是。我没有说原因。

现在，我来解释一下。

首先，大家要记住，单纯从理论和架构的角度，ASIC 和 FPGA 的性能和成本，肯定是优于 CPU 和 GPU 的。

CPU、GPU 遵循的是冯・诺依曼体系结构，指令要经过存储、译码、执行等步骤，共享内存在使用时，要经历仲裁和缓存。

而 FPGA 和 ASIC 并不是冯・诺依曼架构（是哈佛架构）。以 FPGA 为例，它本质上是无指令、无需共享内存的体系结构。

FPGA 的逻辑单元功能在编程时已确定，属于用硬件来实现软件算法。对于保存状态的需求，FPGA 中的寄存器和片上内存（BRAM）属于各自的控制逻辑，不需要仲裁和缓存。

从 ALU 运算单元占比来看，GPU 比 CPU 高，FPGA 因为几乎没有控制模块，所有模块都是 ALU 运算单元，比 GPU 更高。

所以，综合各个角度，FPGA 的运算速度会比 GPU 更快。

再看看功耗方面。

GPU 的功耗，是出了名的高，单片可以达到 250W，甚至 450W（RTX4090）。而 FPGA 呢，一般只有 30~50W。

这主要是因为内存读取。GPU 的内存接口（GDDR5、HBM、HBM2）带宽极高，大约是 FPGA 传统 DDR 接口的 4-5 倍。但就芯片本身来说，读取 DRAM 所消耗的能量，是 SRAM 的 100 倍以上。GPU 频繁读取 DRAM 的处理，产生了极高的功耗。

另外，FPGA 的工作主频（500MHz 以下）比 CPU、GPU（1~3GHz）低，也会使得自身功耗更低。FPGA 的工作主频低，主要是受布线资源的限制。有些线要绕远，时钟频率高了，就来不及。

最后看看时延。

GPU 时延高于 FPGA。

GPU 通常需要将不同的训练样本，划分成固定大小的“Batch（批次）”，为了最大化达到并行性，需要将数个 Batch 都集齐，再统一进行处理。

FPGA 的架构，是无批次（Batch-less）的。每处理完成一个数据包，就能马上输出，时延更有优势。

那么，问题来了。GPU 这里那里都不如 FPGA 和 ASIC，为什么还会成为现在 AI 计算的大热门呢？

很简单，在对算力性能和规模的极致追求下，现在整个行业根本不在乎什么成本和功耗。

在英伟达的长期努力下，GPU 的核心数和工作频率一直在提升，芯片面积也越来越大，属于硬刚算力。功耗靠工艺制程，靠水冷等被动散热，反而不着火就行。

除了硬件之外，上篇文章小枣君也提到，英伟达在软件和生态方面很会布局。

他们捣鼓出来的 CUDA，是 GPU 的一个核心竞争力。基于 CUDA，初学者都可以很快上手，进行 GPU 的开发。他们苦心经营多年，也形成了群众基础。

相比之下，FPGA 和 ASIC 的开发还是太过复杂，不适合普及。

在接口方面，虽然 GPU 的接口比较单一（主要是 PCIe），没有 FPGA 灵活（FPGA 的可编程性，使其能轻松对接任何的标准和非标准接口），但对于服务器来说，足够了，插上就能用。

除了 FPGA 之外，ASIC 之所以在 AI 上干不过 GPU，和它的高昂成本、超长开发周期、巨大开发风险有很大关系。现在 AI 算法变化很快，ASIC 这种开发周期，很要命。

综合上述原因，GPU 才有了现在的大好局面。

在 AI 训练上，GPU 的算力强劲，可以大幅提升效率。

在 AI 推理上，输入一般是单个对象（图像），所以要求要低一点，也不需要什么并行，所以 GPU 的算力优势没那么明显。很多企业，就会开始采用更便宜、更省电的 FPGA 或 ASIC，进行计算。

其它一些算力场景，也是如此。看重算力绝对性能的，首选 GPU。算力性能要求不那么高的，可以考虑 FPGA 或 ASIC，能省则省。

█最后的话

关于 CPU、GPU、FPGA、ASIC 的知识，就介绍到这里了。

它们是计算芯片的典型代表。人类目前所有的算力场景，基本上都是由它们在负责。

随着时代的发展，计算芯片也有了新的趋势。例如，不同算力芯片进行混搭，互相利用优势。我们管这种方式，叫做异构计算。另外，还有 IBM 带头搞的类脑芯片，类似于大脑的神经突触，模拟人脑的处理过程，也获得了突破，热度攀升。以后有机会，我再和大家专门介绍。

希望小枣君的芯片系列文章对大家有所帮助。喜欢的话，求关注，求转发，求点赞。

感谢！

参考文献：

1、《一文搞懂 GPU 的概念、工作原理》，开源 LINUX；

2、《AI 芯片架构体系综述》，知乎，Garvin Li；

3、《GPU、FPGA、ASIC 加速器有什么区别？》，知乎，胡说漫谈；

4、《带你深入了解 GPU、FPGA 和 ASIC》，汽车产业前线观察；

5、《为什么 GPU 是 AI 时代的算力核心》，沐曦集成电路；

6、《一文通览自动驾驶三大主流芯片架构》，数字化转型；

7、《AIGC 算力全景与趋势报告》，量子位；

8、百度百科、维基百科。

本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君

广告声明：文内含有的对外跳转链接（包括不限于超链接、二维码、口令等形式），用于传递更多信息，节省甄选时间，结果仅供参考，IT之家所有文章均包含本声明。