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实现测试测量突破性创新,采用ASIC还是FPGA?

2022-12-08 16:54:00 Michael Seaholm, 泰克科技公司高性能示波器产品经理 阅读:
作为世界创新的幕后英雄,特别是在电子器件和通信技术方面,工程师们要开发测试设备,验证这些新技术,以把新技术推向市场。这些工程师必须运行尖端技术,处理预测行业和创新未来的挑战。在开创未来的过程中,测试测量工程师面临的基础性创新挑战之一,是确定设计中采用专用集成电路(ASIC)还是现场可编程门阵列(FPGA)。

技术改良一直走在行业进步的前沿,但世纪之交以来,随着科技进步明显迅猛发展,消费者经常会对工程师面临的挑战想当然,因为他们觉得工程师本身就是推动世界进步的中坚力量。MFLednc

作为世界创新的幕后英雄,特别是在电子器件和通信技术方面,工程师们要开发测试设备,验证这些新技术,以把新技术推向市场。这些工程师必须运行尖端技术,处理预测行业和创新未来的挑战。在开创未来的过程中,测试测量工程师面临的基础性创新挑战之一,是确定设计中采用专用集成电路(ASIC)还是现场可编程门阵列(FPGA)。MFLednc

突破创新中采用ASIC的优势和挑战

在历史上,ASIC一直是测试测量创新的关键组件。通过组建专家团队设计专用电路,开发IP,公司可以给自己的产品架起一条护城河,让公司能够保持自己的产品组合的差异化。除了产品差异化优势外,ASIC的开发成本和复杂度也使得大型公司能够避免行业内卷,因为小型公司和初创企业通常要被迫使用商用部件,进而更多地受限于特定应用或小众应用。MFLednc

与使用商用部件相比,ASIC通常还会提供每个部件成本优势。由于设计和IP归厂商所有,所以部件生产成本要低于外购的商用部件。由于这种成本优势,开发以ASIC为中心的产品的公司能够获取更多的产品毛利,进而可以获得更多的净利投资于未来创新。MFLednc

严格的功率预算是新产品开发的另一个焦点,在这方面,ASIC经常要优于FPGA。鉴于FPGA的通用性特点,它在同一应用中要求的工作功率一般要高于ASIC。这会占用表格中的功率预算,所以没有什么优势,可能很难满足工程团队的设计要求。由于ASIC占用的板卡空间通常较小,因此除功率要求方面的优势外,其在板卡空间利用上也是一个优势。MFLednc

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必需指出的是,尽管在突破创新中使用ASIC有许多优势,但它们也带来了许多明显挑战。与竞争对手差异化及避免低端内卷的代价,是ASIC开发的成本和复杂度,这本身就是一把双刃剑。ASIC的特点是,它要么是在产品开发前开发的,要么是与产品开发同时开发的,这会引入明显的风险。在产品成本优势显现前,这会在前期增加项目时间和费用。成功开发ASIC前需要设计、定型、一轮又一轮,可能意味着产品开发开始前,就要用几年的时间开发ASIC。如果约定的路线图和资源规划没有在产品开发时间表很早之前就到位,那么很多公司都会手忙脚乱。MFLednc

尽管延长项目时间表不是理想的方案,但毫无疑问,在创新中使用ASIC的最大挑战最终落在开发费用上。根据产品类型和ASIC开发的复杂度,新的ASIC可能要花费数十万美元到数千万美元。对公司来说,这么大的前期投入通常是一笔豪赌,公司在许多年内都看不到投资回报,因为ASIC和产品开发时间表真的很长。仅前期投入和项目时间表,就足可以让机构不敢用ASIC,特别是在FPGA也能实现相同效果的应用中,尽管FPGA在节省空间和功率方面较差。MFLednc

ASIC相对于FPGA的灵活性,也是一个关键考虑因素。ASIC是为其最初预计应用优化的,如果需要改动以适应新功能,或者开发后期发现漏洞,那么ASIC通常不够灵活以适应这些“变动设计”需求。整体上,ASIC功能是固定的,一般要求把产品退回制造商才能处理任何变动。而FPGA则不同,其可以通过固件升级远程实现变动,灵活性强,对客户工作流程的影响要小得多。MFLednc

ASIC缺乏灵活性还会影响功能定义阶段。工程师需要清楚的全面确定的要求才能开发ASIC。也就是说,所有相关功能定义必须完全定型,才能开始开发,考虑到仿真和布线,这种限制可能会进一步加长计划前端的时间表。FPGA则可以接受松散得多的功能要求,而且可以边用边调整。ASIC缺乏灵活性并不一直是明显的负担,特别是在设计中同时采用FPGA时,而这在商业和工程设计中通常是一个关键考虑因素。MFLednc

尽管有这么多挑战,但在创新中使用ASIC也有许多优势。除每个部件成本、功率、尺寸和功能等比较细微的优势外,在产品创新中使用ASIC的真正优势是IP及其实现的差异化。但ASIC是不是保持竞争差异化的唯一途径呢?使用FPGA这样的商用部件能否实现差异化呢?MFLednc

突破创新中采用FPGA的优势和挑战

FPGA已经出现了很长时间,多年来其发展轨迹一直遵循摩尔定律。十年前被视为FPGA的梦幻功能,现在主流部件中都有了,并已经提供给所有项目类型的开发商。随着功率和空间要求的灵活性不断提高,FPGA在许多应用中正和ASIC争夺赛道。MFLednc

在突破创新中使用FPGA的主要优势,确切地说,就是使用ASIC的劣势:产品开发周期、项目成本、“变动设计”的灵活度。随着FPGA的能力不断提高,以前铁定使用ASIC的最简明的应用现在也不见得再有优势。这种功能的提高通常可以帮助预算紧张的公司或项目及时开发产品,同时使前端的开发时间达到最短,使开发过程及维持阶段的产品灵活性达到最大。MFLednc

如果一个有吸引力的市场机会迅速出现,正如当今日新月异的技术环境一样,那么使用ASIC是很难及时做出反应的。仅仅是ASIC的开发时间,就可能令公司错过关键市场窗口,让竞争对手占领先机。MFLednc

与使用基于ASIC的产品相比,使用基于FPGA的产品可以为公司提供所需的反应时间,在市场中获得先发优势。此外,它还可以提前让客户接触产品概念或功能,在产品推出前消除产品风险。在许多情况下,这些优势是使用ASIC实现不了的,即使使用ASIC产品的公司有机会在市场窗口后期提供更多的差异化。MFLednc

随着FPGA功能的增长,从公司领导层角度很难看到负面效应。项目时间表和预算是考量项目组的传统主要业绩指标,优化这些指标通常被视为最好的决策。实际上,尽管这些优势变得越来越诱人,但它可能会让工程师限入艰难的境地,特别是在开创新的创新技术时。FPGA是为支持一般用途设计的。工程师在新应用或小众应用中使用FPGA越多,产品实现预计目标的难度越大。对试图进入小众市场或应用的公司来说,使用FPGA可能是一个难题。严格的功率要求、空间限制、产品功能、使用基于FPGA的产品开发IP,都可能会给开发带来风险,在某些情况下,不承受ASIC开发的成本和时间负担就实现不了上述目标。MFLednc

增加的每个部件成本也是一个考虑因素。尽管有很多指标是围绕项目时间表和项目成本的,但围绕毛利和经营利润通常也有严格的指标。尽管FPGA可能能够实现与ASIC相同的工作,但在使用FPGA时每个部件成本明显要高。虽然FPGA能够降低项目成本,但其标准仪器成本一般要高于使用ASIC完成同一工作的仪器。因此,最大的权衡因素之一落在项目成本还是产品成本上。这种权衡通常位于创新内部商业决策的核心,特别是在考虑风险、产品开发周期、设计灵活性及其他工程设计因素时。即使项目成本和产品成本不是明确的权衡因素,在产品开发和突破创新中到底使用FPGA还是ASIC的决策中,它通常也是前几个考虑因素之一。MFLednc

选择FPGA还是ASIC的最后一个考虑因素是应用本身。鉴于测试测量行业存在着大量的小众应用,试图使用通用FPGA可能会比预期带来更多挑战。如果工程师试图把通用部件放到小众应用中,那么就无法保证这个部件支持预计的产品功能。有时候通过创造性工程设计可能能克服这种挑战,但这会提高项目取消的风险,产生支持关键功能的问题,导致非预计的时间表延迟。在FPGA可能提供时间表优势的同时,没有预见到的设计挑战可能会迅速抵消这些优势,进而抹掉成本优势。如果能够克服这个问题,那么公司就能找到一个仍能打造差异化产品的解决方案,即使没有ASIC,而是通过创造性的增值工程设计,当然并不是所有公司都能实现这一点。MFLednc

随着行业演进,业界转向把ASIC集成到FPGA中并不奇怪,这推动了FPGA的进一步采用。FPGA厂商已经注意到上面所有这些利弊,他们关注的是优化优势,最大限度减少劣势,通过在FPGA上包括IP,来支持更多的小众应用。随着行业不断演进,预计这些FPGA + ASIC混合部件会继续在各行各业中抢占更多的FPGA市场。MFLednc

尽管FPGA取得了很大进展,但开发ASIC较使用FPGA仍有明显的优势。那么,将来FPGA会不会完全替代ASIC需求呢?可能不会。但在项目成本审查越来越严的环境中,FPGA会不会成为更快速开发中日益相关的一个选项呢?绝对会。MFLednc

泰克在突破创新中怎样处理ASIC还是FPGA的问题?

泰克在每个新产品开发中都审慎地考虑是采用ASIC、FPGA还是两者混合。我们会考虑产品成本与项目成本的微妙平衡,并考虑在首选使用ASIC的应用中使用FPGA所要求的工程工作量。尽管最佳方法没有统一答案,但泰克一直受到FPGA增长的鼓舞,在可能的情况下一般会使用FPGA来改善新产品的开发周期。使用FPGA不仅有利于我们的产品开发周期,还可以让泰克工程师在整个产品开发周期中,赶在客户前面获得初步产品功能,尽快把握客户对概念和功能的反馈。MFLednc

作为一家测试测量领域的创新机构,泰克非常荣幸地拥有行业领先的工程师队伍,能够在不使用ASIC的情况下实现差异化,通过当今市场上没有的独特的解决方案对行业趋势和客户需求作出快速反应。泰克最新推出的创新产品都有力地证明了这一点。我们的TMT4裕度测试仪基于Intel Stratix 10 FPGA,提供了颠覆行业的功能,用以评估PCIe Gen 3和Gen 4器件的链路健康状况。泰克为拥有这样的工程师团队,能够在FPGA平台上构建这样的差异化产品而深感骄傲,它展示了在创新技术核心使用FPGA可以怎样创造及保持差异化。MFLednc

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作者: Michael Seaholm, 泰克科技公司高性能示波器产品经理MFLednc

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