實(shí)現(xiàn)測試測量突破性創(chuàng)新，采用ASIC還是FPGA？

作者：Michael Seaholm，泰克科技公司高性能示波器產(chǎn)品經(jīng)理

技術(shù)改良一直走在行業(yè)進(jìn)步的前沿，但世紀(jì)之交以來，隨著科技進(jìn)步明顯迅猛發(fā)展，消費(fèi)者經(jīng)常會對工程師面臨的挑戰(zhàn)想當(dāng)然，因?yàn)樗麄冇X得工程師本身就是推動世界進(jìn)步的中堅(jiān)力量。

作為世界創(chuàng)新的幕后英雄，特別是在電子器件和通信技術(shù)方面，工程師們要開發(fā)測試設(shè)備，驗(yàn)證這些新技術(shù)，以把新技術(shù)推向市場。這些工程師必須運(yùn)行尖端技術(shù)，處理預(yù)測行業(yè)和創(chuàng)新未來的挑戰(zhàn)。在開創(chuàng)未來的過程中，測試測量工程師面臨的基礎(chǔ)性創(chuàng)新挑戰(zhàn)之一，是確定設(shè)計(jì)中采用專用集成電路（ASIC）還是現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。

突破創(chuàng)新中采用ASIC的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

在歷史上，ASIC一直是測試測量創(chuàng)新的關(guān)鍵組件。通過組建專家團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)專用電路，開發(fā)IP，公司可以給自己的產(chǎn)品架起一條護(hù)城河，讓公司能夠保持自己的產(chǎn)品組合的差異化。除了產(chǎn)品差異化優(yōu)勢外，ASIC的開發(fā)成本和復(fù)雜度也使得大型公司能夠避免行業(yè)內(nèi)卷，因?yàn)樾⌒凸竞统鮿?chuàng)企業(yè)通常要被迫使用商用部件，進(jìn)而更多地受限于特定應(yīng)用或小眾應(yīng)用。

與使用商用部件相比，ASIC通常還會提供每個(gè)部件成本優(yōu)勢。由于設(shè)計(jì)和IP歸廠商所有，所以部件生產(chǎn)成本要低于外購的商用部件。由于這種成本優(yōu)勢，開發(fā)以ASIC為中心的產(chǎn)品的公司能夠獲取更多的產(chǎn)品毛利，進(jìn)而可以獲得更多的凈利投資于未來創(chuàng)新。

嚴(yán)格的功率預(yù)算是新產(chǎn)品開發(fā)的另一個(gè)焦點(diǎn)，在這方面，ASIC經(jīng)常要優(yōu)于FPGA。鑒于FPGA的通用性特點(diǎn)，它在同一應(yīng)用中要求的工作功率一般要高于ASIC。這會占用表格中的功率預(yù)算，所以沒有什么優(yōu)勢，可能很難滿足工程團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)要求。由于ASIC占用的板卡空間通常較小，因此除功率要求方面的優(yōu)勢外，其在板卡空間利用上也是一個(gè)優(yōu)勢。

必需指出的是，盡管在突破創(chuàng)新中使用ASIC有許多優(yōu)勢，但它們也帶來了許多明顯挑戰(zhàn)。與競爭對手差異化及避免低端內(nèi)卷的代價(jià)，是ASIC開發(fā)的成本和復(fù)雜度，這本身就是一把雙刃劍。ASIC的特點(diǎn)是，它要么是在產(chǎn)品開發(fā)前開發(fā)的，要么是與產(chǎn)品開發(fā)同時(shí)開發(fā)的，這會引入明顯的風(fēng)險(xiǎn)。在產(chǎn)品成本優(yōu)勢顯現(xiàn)前，這會在前期增加項(xiàng)目時(shí)間和費(fèi)用。成功開發(fā)ASIC前需要設(shè)計(jì)、定型、一輪又一輪，可能意味著產(chǎn)品開發(fā)開始前，就要用幾年的時(shí)間開發(fā)ASIC。如果約定的路線圖和資源規(guī)劃沒有在產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間表很早之前就到位，那么很多公司都會手忙腳亂。

盡管延長項(xiàng)目時(shí)間表不是理想的方案，但毫無疑問，在創(chuàng)新中使用ASIC的最大挑戰(zhàn)最終落在開發(fā)費(fèi)用上。根據(jù)產(chǎn)品類型和ASIC開發(fā)的復(fù)雜度，新的ASIC可能要花費(fèi)數(shù)十萬美元到數(shù)千萬美元。對公司來說，這么大的前期投入通常是一筆豪賭，公司在許多年內(nèi)都看不到投資回報(bào)，因?yàn)锳SIC和產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間表真的很長。僅前期投入和項(xiàng)目時(shí)間表，就足可以讓機(jī)構(gòu)不敢用ASIC，特別是在FPGA也能實(shí)現(xiàn)相同效果的應(yīng)用中，盡管FPGA在節(jié)省空間和功率方面較差。

ASIC相對于FPGA的靈活性，也是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。ASIC是為其最初預(yù)計(jì)應(yīng)用優(yōu)化的，如果需要改動以適應(yīng)新功能，或者開發(fā)后期發(fā)現(xiàn)漏洞，那么ASIC通常不夠靈活以適應(yīng)這些“變動設(shè)計(jì)”需求。整體上，ASIC功能是固定的，一般要求把產(chǎn)品退回制造商才能處理任何變動。而FPGA則不同，其可以通過固件升級遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)變動，靈活性強(qiáng)，對客戶工作流程的影響要小得多。

ASIC缺乏靈活性還會影響功能定義階段。工程師需要清楚的全面確定的要求才能開發(fā)ASIC。也就是說，所有相關(guān)功能定義必須完全定型，才能開始開發(fā)，考慮到仿真和布線，這種限制可能會進(jìn)一步加長計(jì)劃前端的時(shí)間表。FPGA則可以接受松散得多的功能要求，而且可以邊用邊調(diào)整。ASIC缺乏靈活性并不一直是明顯的負(fù)擔(dān)，特別是在設(shè)計(jì)中同時(shí)采用FPGA時(shí)，而這在商業(yè)和工程設(shè)計(jì)中通常是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。

盡管有這么多挑戰(zhàn)，但在創(chuàng)新中使用ASIC也有許多優(yōu)勢。除每個(gè)部件成本、功率、尺寸和功能等比較細(xì)微的優(yōu)勢外，在產(chǎn)品創(chuàng)新中使用ASIC的真正優(yōu)勢是IP及其實(shí)現(xiàn)的差異化。但ASIC是不是保持競爭差異化的唯一途徑呢？使用FPGA這樣的商用部件能否實(shí)現(xiàn)差異化呢？

突破創(chuàng)新中采用FPGA的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

FPGA已經(jīng)出現(xiàn)了很長時(shí)間，多年來其發(fā)展軌跡一直遵循摩爾定律。十年前被視為FPGA的夢幻功能，現(xiàn)在主流部件中都有了，并已經(jīng)提供給所有項(xiàng)目類型的開發(fā)商。隨著功率和空間要求的靈活性不斷提高，F(xiàn)PGA在許多應(yīng)用中正和ASIC爭奪賽道。

在突破創(chuàng)新中使用FPGA的主要優(yōu)勢，確切地說，就是使用ASIC的劣勢：產(chǎn)品開發(fā)周期、項(xiàng)目成本、“變動設(shè)計(jì)”的靈活度。隨著FPGA的能力不斷提高，以前鐵定使用ASIC的最簡明的應(yīng)用現(xiàn)在也不見得再有優(yōu)勢。這種功能的提高通?？梢詭椭A(yù)算緊張的公司或項(xiàng)目及時(shí)開發(fā)產(chǎn)品，同時(shí)使前端的開發(fā)時(shí)間達(dá)到最短，使開發(fā)過程及維持階段的產(chǎn)品靈活性達(dá)到最大。

如果一個(gè)有吸引力的市場機(jī)會迅速出現(xiàn)，正如當(dāng)今日新月異的技術(shù)環(huán)境一樣，那么使用ASIC是很難及時(shí)做出反應(yīng)的。僅僅是ASIC的開發(fā)時(shí)間，就可能令公司錯(cuò)過關(guān)鍵市場窗口，讓競爭對手占領(lǐng)先機(jī)。

與使用基于ASIC的產(chǎn)品相比，使用基于FPGA的產(chǎn)品可以為公司提供所需的反應(yīng)時(shí)間，在市場中獲得先發(fā)優(yōu)勢。此外，它還可以提前讓客戶接觸產(chǎn)品概念或功能，在產(chǎn)品推出前消除產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)。在許多情況下，這些優(yōu)勢是使用ASIC實(shí)現(xiàn)不了的，即使使用ASIC產(chǎn)品的公司有機(jī)會在市場窗口后期提供更多的差異化。

隨著FPGA功能的增長，從公司領(lǐng)導(dǎo)層角度很難看到負(fù)面效應(yīng)。項(xiàng)目時(shí)間表和預(yù)算是考量項(xiàng)目組的傳統(tǒng)主要業(yè)績指標(biāo)，優(yōu)化這些指標(biāo)通常被視為最好的決策。實(shí)際上，盡管這些優(yōu)勢變得越來越誘人，但它可能會讓工程師限入艱難的境地，特別是在開創(chuàng)新的創(chuàng)新技術(shù)時(shí)。FPGA是為支持一般用途設(shè)計(jì)的。工程師在新應(yīng)用或小眾應(yīng)用中使用FPGA越多，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)目標(biāo)的難度越大。對試圖進(jìn)入小眾市場或應(yīng)用的公司來說，使用FPGA可能是一個(gè)難題。嚴(yán)格的功率要求、空間限制、產(chǎn)品功能、使用基于FPGA的產(chǎn)品開發(fā)IP，都可能會給開發(fā)帶來風(fēng)險(xiǎn)，在某些情況下，不承受ASIC開發(fā)的成本和時(shí)間負(fù)擔(dān)就實(shí)現(xiàn)不了上述目標(biāo)。

增加的每個(gè)部件成本也是一個(gè)考慮因素。盡管有很多指標(biāo)是圍繞項(xiàng)目時(shí)間表和項(xiàng)目成本的，但圍繞毛利和經(jīng)營利潤通常也有嚴(yán)格的指標(biāo)。盡管FPGA可能能夠?qū)崿F(xiàn)與ASIC相同的工作，但在使用FPGA時(shí)每個(gè)部件成本明顯要高。雖然FPGA能夠降低項(xiàng)目成本，但其標(biāo)準(zhǔn)儀器成本一般要高于使用ASIC完成同一工作的儀器。因此，最大的權(quán)衡因素之一落在項(xiàng)目成本還是產(chǎn)品成本上。這種權(quán)衡通常位于創(chuàng)新內(nèi)部商業(yè)決策的核心，特別是在考慮風(fēng)險(xiǎn)、產(chǎn)品開發(fā)周期、設(shè)計(jì)靈活性及其他工程設(shè)計(jì)因素時(shí)。即使項(xiàng)目成本和產(chǎn)品成本不是明確的權(quán)衡因素，在產(chǎn)品開發(fā)和突破創(chuàng)新中到底使用FPGA還是ASIC的決策中，它通常也是前幾個(gè)考慮因素之一。

選擇FPGA還是ASIC的最后一個(gè)考慮因素是應(yīng)用本身。鑒于測試測量行業(yè)存在著大量的小眾應(yīng)用，試圖使用通用FPGA可能會比預(yù)期帶來更多挑戰(zhàn)。如果工程師試圖把通用部件放到小眾應(yīng)用中，那么就無法保證這個(gè)部件支持預(yù)計(jì)的產(chǎn)品功能。有時(shí)候通過創(chuàng)造性工程設(shè)計(jì)可能能克服這種挑戰(zhàn)，但這會提高項(xiàng)目取消的風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生支持關(guān)鍵功能的問題，導(dǎo)致非預(yù)計(jì)的時(shí)間表延遲。在FPGA可能提供時(shí)間表優(yōu)勢的同時(shí)，沒有預(yù)見到的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)可能會迅速抵消這些優(yōu)勢，進(jìn)而抹掉成本優(yōu)勢。如果能夠克服這個(gè)問題，那么公司就能找到一個(gè)仍能打造差異化產(chǎn)品的解決方案，即使沒有ASIC，而是通過創(chuàng)造性的增值工程設(shè)計(jì)，當(dāng)然并不是所有公司都能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

隨著行業(yè)演進(jìn)，業(yè)界轉(zhuǎn)向把ASIC集成到FPGA中并不奇怪，這推動了FPGA的進(jìn)一步采用。FPGA廠商已經(jīng)注意到上面所有這些利弊，他們關(guān)注的是優(yōu)化優(yōu)勢，最大限度減少劣勢，通過在FPGA上包括IP，來支持更多的小眾應(yīng)用。隨著行業(yè)不斷演進(jìn)，預(yù)計(jì)這些FPGA + ASIC混合部件會繼續(xù)在各行各業(yè)中搶占更多的FPGA市場。

盡管FPGA取得了很大進(jìn)展，但開發(fā)ASIC較使用FPGA仍有明顯的優(yōu)勢。那么，將來FPGA會不會完全替代ASIC需求呢？可能不會。但在項(xiàng)目成本審查越來越嚴(yán)的環(huán)境中，F(xiàn)PGA會不會成為更快速開發(fā)中日益相關(guān)的一個(gè)選項(xiàng)呢？絕對會。

泰克在突破創(chuàng)新中怎樣處理ASIC還是FPGA的問題？

泰克在每個(gè)新產(chǎn)品開發(fā)中都審慎地考慮是采用ASIC、FPGA還是兩者混合。我們會考慮產(chǎn)品成本與項(xiàng)目成本的微妙平衡，并考慮在首選使用ASIC的應(yīng)用中使用FPGA所要求的工程工作量。盡管最佳方法沒有統(tǒng)一答案，但泰克一直受到FPGA增長的鼓舞，在可能的情況下一般會使用FPGA來改善新產(chǎn)品的開發(fā)周期。使用FPGA不僅有利于我們的產(chǎn)品開發(fā)周期，還可以讓泰克工程師在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期中，趕在客戶前面獲得初步產(chǎn)品功能，盡快把握客戶對概念和功能的反饋。

作為一家測試測量領(lǐng)域的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，泰克非常榮幸地?fù)碛行袠I(yè)領(lǐng)先的工程師隊(duì)伍，能夠在不使用ASIC的情況下實(shí)現(xiàn)差異化，通過當(dāng)今市場上沒有的獨(dú)特的解決方案對行業(yè)趨勢和客戶需求作出快速反應(yīng)。泰克最新推出的創(chuàng)新產(chǎn)品都有力地證明了這一點(diǎn)。我們的TMT4裕度測試儀基于Intel Stratix 10 FPGA，提供了顛覆行業(yè)的功能，用以評估PCIe Gen 3和Gen 4器件的鏈路健康狀況。泰克為擁有這樣的工程師團(tuán)隊(duì)，能夠在FPGA平臺上構(gòu)建這樣的差異化產(chǎn)品而深感驕傲，它展示了在創(chuàng)新技術(shù)核心使用FPGA可以怎樣創(chuàng)造及保持差異化。

如需進(jìn)一步了解這一全新產(chǎn)品，了解在基于FPGA的平臺可以怎樣構(gòu)建差異化，敬請?jiān)L問TMT4產(chǎn)品頁面：https://www.tek.com.cn/products/pciemargintester。

關(guān)于泰克科技

泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市，致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案，解決各種問題，釋放洞察力，推動創(chuàng)新能力。70多年來，泰克一直走在數(shù)字時(shí)代前沿。