Auf einen Blick

Toshibas FFSAs sind für Entwickler kundenspezifischer ICs eine neue wilkommene Alternative. Mit FFSAs stehen den Kunden die Leistungsfähigkeit und der niedrige Stromverbrauch von Standardzellen-ASICs bei wesentlich geringeren NRE-Kosten zur Verfügung. Bereits ab Stückzahlen von einigen Tausend Einheiten pro Jahr können FFSA eine interessante Alternative zu FPGAs sein.

Um kundenspezifische ICs anzubieten, mussten sich Entwickler bisher zwischen FPGAs oder ASICs für ihr Design entscheiden. Normalerweise ist dabei ein FPGA die günstigste Lösung, wenn die Stückzahlen gering sind. Im Vergleich zu einem ASIC sind die Einmalkosten hier sehr niedrig, der Stückpreis des Chips allerdings sehr hoch.

Die Gesamtkosten für ein ASIC-Projekt ergeben sich aus den NRE-Kosten für Chipdesign, Maskenerstellung und Testentwicklung sowie den Stückkosten pro IC. Verglichen mit einem FPGA liegen die Vorteile eines ASICs neben den deutlich niedrigeren Stückkosten vor allen Dingen in der höheren Rechenleistung und dem geringeren Stromverbrauch. Hauptnachteile einer ASIC-Lösung sind die sehr hohen NRE-Kosten und die deutlich längere Entwicklungszeit.

Alle diese Faktoren sollten zu Beginn eines Projekts berücksichtigt werden, um die richtige Entscheidung zwischen einer ASIC- oder FPGA-Implementierung zu treffen. Letztendlich muss die Wahl auf den besten Kompromiss aus Entwicklungs- und Stückkosten, schneller Markteinführung, Rechenleistung, Stromverbrauch und Chipgröße fallen.

Die Entscheidung zwischen FPGA oder ASIC fällt an den Enden des Stückzahlenbereichs leichter: Für geringe Stückzahlen und eine schnelle Markteinführung ist ein FPGA am besten geeignet. Sind hohe Stückzahlen geplant, längere Vorlaufzeiten hinnehmbar, ein niedriger Stromverbrauch und höhere Performance wichtig, ist ein ASIC die beste Lösung.

Bei Projekten im mittleren Stückzahlenbereich kann die Entscheidung schwieriger werden. Zwar bieten FPGA-Hersteller für einige ihrer FPGAs eine Lösung das FPGA-Design in einen kundenspezifischen IC zu konvertieren, allerdings kann dessen Performance nicht an die eines Standardzellen-ASICs heranreichen.

Mit Fit-Fast-Structured-Arrays (FFSA) bietet Toshiba nun eine neue Structured-ASIC-Technologie als optimale Lösung für kundenspezifische ICs in geringen bis mittleren Stückzahlen. Toshibas FFSA verringern die NRE-Kosten im Vergleich zu einem Standard-ASIC auf ein Fünftel und verkürzen die Zeit von der RTL-Übergabe bis zum fertigen Testmuster von 25 auf fünf Wochen. Die Performance von FFSA liegt dabei im Bereich von Standardzellen-ASICs.

Eine neue konfigurierbare Chip-Architektur

Bild 1: Prinzipieller Aufbau eines FFSA.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau eines FFSA.Toshiba Electronics Europe

FFSA basieren auf einer Standardzellen-Architektur mit konfigurierbaren Metall-Lagen. Damit lassen sich schnell und einfach kundenspezifische Bausteine auf vorgefertigten und getesteten Basiswafern herstellen. In einer FFSA-Plattform werden die Zellen über die Metall- und Via-Lagen verbunden. Die Basiszellen des FFSA bestehen aus einfachen Logik-Gattern, weswegen ein solches Gate Array eine deutlich geringere Siliziumfläche benötigt, als die Look-Up-Table basierte Architektur eines FPGA. Das Gate Array im FFSA verfügt über Bereiche für Logik, Speicher, I/Os und PLLs sowie eine eigene interne Stromversorgungsarchitektur (Bild 1). Auch entfällt im FFSA die komplexe interne Verbindungstruktur eines FPGA, was die Verbindungslängen innerhalb des Chips minimiert.

Durch die Verwendung von FFSA lässt sich die Entwicklung von Produktvarianten verkürzen und vereinfachen, da nur die Metallmasken geändert werden müssen. Auf diese Weise können verschiedene ASIC-Designs mit differenzierenden Merkmalen für verschiedene Märkte schnell und kosteneffizient erstellt werden.

Toshibas FFSA-Standard-Bibliothek bietet weit über 500 Logikfunktionen. Die FFSA-Speicherblöcke lassen sich sehr flexibel in verschiedenen Speichertiefen und Speicherbreiten oder zum Beispiel auch als Dual-Port-RAM konfigurieren.

Die PLLs im FFSA sind kaskadierbar und arbeiten bis zu Frequenzen von 1,6 GHz. Im Unterschied zu älteren Gate-Array-Architekturen sind die I/Os in Toshibas FFSA-Plattform vom Anwender anpassbar und haben Treiber für LVDS- und DDR- Interfaces bereits integriert. Die High-Speed Transceiver mit SerDes-Funktion arbeiten bis zu einer Übertragungsgeschwindigkeit von 6,5 Gbit/s und sind für eine Vielzahl von Übertragungsprotokollen geeignet, wobei die Liste der unterstützten Standards stetig erweitert wird (Tabelle 1).

Tabelle 1: FFSA-Transceiver-Protokolle.

Tabelle 1: FFSA-Transceiver-Protokolle.Toshiba Electronics Europe

Die ersten beiden FFSA-Produktreihen sind die SA5- und die SA5S-Serien. Beide Baureihen werden in 65-nm-Prozesstechnik gefertigt und enthalten bis zu 20 Millionen Logikgatter, 23 Mbit SRAM und mehr als 1200 I/Os, wobei die SA5S-Serie noch High-Speed Transceiver beinhaltet. Dank der optimierten Halbleiterarchitektur betragen die Siliziumfläche und der Stromverbrauch eines FFSA-Designs in 65-nm-Technologie nur zwei Drittel eines vergleichbaren FPGAs in 28-nm-Technologie.

Als Erweiterung der FFSA-Produktpalette präsentiert Toshiba nun die neue SA6S-Serie in 40-nm-Technologie. Die Siliziumfläche und der Stromverbrauch sind hierbei auf weniger als ein Drittel eines 28-nm-FPGA reduziert wobei die Rechengeschwindigkeit des FFSAs um den Faktor zweieinhalb Mal höher ist.

Die Produkte der SA6S-Serie enthalten mehr Logikgatter und Speicherblöcke als in den SA5-Serien. Außerdem ist in der SA6S-Serie die maximale Übertragunggeschwindigkeit der Transceiver auf 12,5 Gbit/s erhöht worden. Bereits in Planung befindet sich bereits die SA7S-Serie im 28-nm-Prozess mit Transceivern für noch höhere Datenraten.

ASIC-Stückkosten bei FPGA-Stückzahlen

Toshibas FFSAs können in vielen verschiedenen Gehäusevarianten gefertigt werden, was Pinkompatibilität zu bestehenden FPGA-Designs ermöglicht. So lassen sich FPGAs auf bestehenden Boards relativ einfach durch FFSA ersetzen. Der reibungslose Übergang wird durch die elektrische Kompatibilität der I/Os sowie die gleichbleibende Funktion und Signalintegrität auf System- und Leiterplattenebene ermöglicht. Da der niedrigere Stromverbrauch von FFSA die Anforderungen an das Wärmemanagement (zum Beispiel Kühlkörper) verringert, sinken auch die Gesamtkosten des Produkts.

Einen konkreten Kostenvergleich zwischen FFSA und FPGA zeigt das folgende Beispiel: Bei einem IC-Design mit einem FPGA-Stückpreis von 13 Dollar, 20.000 Stück pro Jahr und einer Lebensdauer von zehn Jahren entstehen Gesamtkosten in Höhe von 2,6 Millionen Dollar. Wird das gleiche Design mit einem entsprechenden FFSA realisiert, ergeben sich bei einem Stückpreis von acht Dollar und NRE-Kosten von 300.000 Dollar Gesamtkosten von 1,6 Millionen Dollar. Dies resultiert in einer Einsparung in Höhe von 700.000 Dollar gegenüber der FPGA-Lösung.

Bild 2: Der Kostenvergleich zeigt, dass FFSA schon ab jährlichen Stückzahlen von 10.000 eine günstigere Lösung als FPGA sein kann.

Bild 2: Der Kostenvergleich zeigt, dass FFSA schon ab jährlichen Stückzahlen von 10.000 eine günstigere Lösung als FPGA sein kann.Toshiba Electronics Europe

Je nach Komplexität und Größe des Designs können die Einsparungen sogar noch höher ausfallen: Ein Projekt basierend auf einem High-End FPGA mit einem Stückpreis von 100 Dollar und 10.000 Stück jährlich über fünf Jahre verursacht Gesamtkosten in Höhe von 5 Millionen Dollar. Das gleiche Design kostet bei Implementierung in ein FFSA nur 3,3 Millionen Dollar (60 Dollar pro Stück und NRE-Kosten in Höhe von 300.000 Dollar) was einer Verringerung der Kosten um ein Drittel entspricht. Bild 2 zeigt die jeweiligen Kosten für Lösungen auf FPGA- und FFSA-Basis. Zusätzlich zur Kostenersparnis profitieren Entwickler bei Verwendung von FFSA auch noch vom geringeren Stromverbrauch und der höheren Rechenleistung, die sich sonst nur mit ASICs realisieren lassen kann.

Der FFSA-Entwicklungsprozess

Bild 3: Der FFSA-Design-Flow ist robust und die Entwicklungszeit deutlich kürzer als für einen Standardzellen-ASIC.

Bild 3: Der FFSA-Design-Flow ist robust und die Entwicklungszeit deutlich kürzer als für einen Standardzellen-ASIC.Toshiba Electronics Europe

Bild 3 stellt die FFSA-Entwicklungsschritte vom Designstart bis zur Serienproduktion dar. Die in blau dargestellten Aufgaben liegen in der Verantwortung von Toshiba, die grün dargestellten Schritte zeigen die Aktivitäten des Kunden. Toshibas FFSA-Design-Flow verwendet bewährte Methoden und Werkzeuge aus der ASIC-Entwicklung, was zur Minimierung des Entwicklungsrisikos beiträgt.

Die stetig wachsend Zahl der für FFSA-Entwicklungen verfügbaren IP-Blöcke besteht sowohl aus Toshibas eigenen bewährten Funktionen als auch aus IPs anderer Anbieter. Unter anderem sind verschiedene Prozessoren (zum Beispiel ARM Cortex-M3), Schnittstellen (UART, SPI, I2C und so weiter) oder Memory-Controller (DDR2, DDR3) erhältlich. Im Bereich der schnellen Datenschnittstellen sind beispielsweise PCI Express, 10 Gbit/s Ethernet und SATA verfügbar. Verschiedene DSP-Funktionen wie AES Codec, High-Definition Display-Controller, V-by-One Highspeed-Transmitter und H.264-Encoder runden das Angebot ab.