測試與量測領域的突破性創新：ASIC和FPGA
2023-02-01
作者
Michael Seaholm，Tektronix高效能示波器產品經理
測試與量測工程師在開拓未來時，所面臨的基本創新挑戰之一即是應用ASIC和FPGA之間的設計權衡決策…
技術改進一直處於產業發展的重心，而隨著世紀更迭以來技術的重大和快速改進，消費者往往認為工程師在推動世界持續進步時理所當然會面臨一些嚴苛的挑戰。在世界各地，推動創新的無名英雄，尤其是與電子設備和通訊技術相關的創新，正是開發用於驗證這些新技術以將其推向市場的測試設備工程師。
這些工程師必須在技術的最尖端展開工作，因應預測產業和創新未來的挑戰。測試與量測工程師在開拓未來時，所面臨的基本創新挑戰之一即是採用特定應用積體電路(ASIC)和現場可程式邏輯閘陣列(FPGA)之間的設計權衡決策。
在突破性創新中使用ASIC的優勢和挑戰
ASIC在歷史上一直是測試與量測創新的關鍵要角。公司召集專家團隊來設計特定應用電路和開發IP，為產品打造各種競爭優勢，使公司能夠在其產品組合中保持差異化。除了產品差異化的優勢之外，ASIC開發的成本和複雜性亦使大型公司能夠保護自己免受產業顛覆，因為小公司和新創企業通常會被迫使用在特定或小眾應用中具有更多限制的市售零件。
通常，與使用市售零件的ASIC相較，ASIC還具有單零件成本優勢。由於設計和IP歸供應商所有，因此生產零件的成本低於可在市場上購買的零件。這種成本優勢使開發以ASIC為中心的產品的公司能夠獲得更高的產品毛利率，並為其提供更多的利潤可投資於未來的創新。
緊縮的功率預算是新產品開發中所面臨的另一個問題，其中ASIC經常比FPGA具有優勢。鑑於FPGA的多功能性，對於相同的應用，通常需要比ASIC更多的功率來運作。這將使功率預算懸而未決，沒有任何額外好處，並且可能難以滿足工程團隊的設計要求。由於ASIC通常在電路板上佔用的空間較小，因此在電源要求方面超出邊緣的電路板空間也具有優勢。
值得注意的是，雖然在突破性創新中使用ASIC擁有許多優勢，但同時也帶來了一些顯著的挑戰。ASIC開發的成本和複雜性是與競爭對手和低階破壞(low-end disruption)建立差異化的一種手段，但其可能是一把雙面刃。ASIC的性質是必須在產品開發本身之前先行開發，或者與產品開發同時進行，這會帶來重大風險。在任何產品成本優勢發生之前，這會預先增加專案的時間和費用。開發成功的ASIC所需的設計、定稿和多次轉折可能意味著在產品開發開始之前需要數年的開發時間。如果承諾的路線圖和資源規劃沒有在產品開發時間表之前提前到位，這可能會使公司措手不及。
雖然如此，在創新中使用ASIC的最大挑戰可能不是延宕的專案時間表，而是驚人的開發費用。根據產品類型和ASIC開發的複雜性，新的ASIC可能會產生數十萬至數千萬美元的費用。由於ASIC和產品開發時間表的原因，這種初始投資通常是來自一家公司的巨大承諾，該公司可能在多年內看不到該投資的回報。就算不太注重空間和功耗，僅僅是初始投資和專案時間表就足以讓組織對於使用ASIC躊躇不前，特別是在FPGA能夠達成相同結果的應用中。
使用FPGA或ASIC的最終考量因素是應用。
ASIC相對於FPGA的靈活性也是一個關鍵考慮因素。ASIC會針對其最初的預期應用進行最佳化處理，但如果需要變動以因應新功能，或者在開發後期發現錯誤，ASIC通常不夠靈活，無法滿足這些「為變動而設計」的需求。一般來說，ASIC功能固定，通常需要將產品送給製造商才能處理，這通常與FPGA形成對比，FPGA可以靈活地透過韌體升級遠端處理變動，這對客戶工作流程的干擾較少。
ASIC缺乏靈活性也與功能定義階段有關。工程師需要明確、完全定義的要求來開發ASIC。這意味著所有相關功能定義必須完全詳實才能開始開發，在考量模擬和佈局時，此約束可能會為計劃的前端增添額外的時間表。但對於FPGA而言，則可以接受較為寬鬆的特性要求，因為工程師可以在整個過程中進行調整。這種缺乏靈活性並不一定是重大負擔，尤其是當設計中涉及FPGA時，但這會是業務和工程權衡時的一個關鍵考慮因素。
儘管存在挑戰，但使用ASIC進行創新仍有許多優勢。除了單零件的成本、功率、尺寸和能力等更細微的優勢之外，ASIC在產品創新方面的真正優勢在於其所實現的IP和差異化。但ASIC是維持競爭差異化的唯一途徑嗎？這可以使用FPGA等市售零件來完成嗎？
在突破性創新中使用FPGA的優勢和挑戰
FPGA已經存在了很長一段時間，而且多年來一直遵循摩爾定律類型的軌跡。十年前曾被認為是FPGA夢寐以求的功能，現在已是主流零件中的一部分，且所有類型專案的開發人員都能使用。隨著在功率和空間要求方面的靈活性不斷提高，FPGA正在ASIC上跨多種應用實際運作。
在突破性創新中使用FPGA的主要優勢恰恰是使用ASIC的劣勢，包括上市時間、專案成本和「為變動而設計」的靈活性。隨著FPGA功能的增加，以前需要ASIC的大多數簡單應用將不再需要。這種不斷成長的能力通常有助於預算緊張的公司或專案及時開發其產品，同時盡可能地減少前端的開發時間，並在開發和進入維持階段的過程中有效地提高產品靈活性。
如果一個誘人的市場機會迅速出現，就像在現今快節奏的技術環境中常見的情況，一般很難使用ASIC及時做出反應。僅ASIC的開發時間就可能使公司面臨錯過關鍵市場銷售時機的風險，並使競爭對手能夠搶先利用這個機會。
使用以FPGA為基礎的產品，而非ASIC產品，可以為公司提供確保先驅者在市場上的優勢所需的反應時間。此外，還能在較早期階段與客戶就產品概念或功能進行互動交流，以便在產品發佈之前能儘早降低產品風險。在許多情況下，這些優勢可能難以克服，即使擁有ASIC產品的公司有機會在市場銷售時機的後期提供更多差異化。
隨著FPGA功能的成長，從公司領導層的角度很難看到不利因素。專案時間表和預算是衡量團隊的傳統關鍵績效指標，最佳化這些指標通常能被視為最佳決策。事實上，雖然這些優勢變得越來越誘人，但也可能會讓工程師陷入困境——尤其是在開拓創新方面。FPGA是專為支援一般用途所設計。若工程師將FPGA強加到新型或小眾應用中，可能會導致產品難以依預期工作。對於試圖進入小眾市場或應用的公司而言，使用FPGA可能是一項艱鉅的任務。嚴格的功率要求、空間限制、產品功能，以及使用以FPGA為基礎的產品開發IP會使開發充滿風險，並且在某些情況下，還必須承擔ASIC開發的成本和時間負擔。
增加的單零件成本也是需要考慮的因素。雖然一般設有專案時間表和專案成本的相關指標，但通常也會有關於毛利率和營業利潤率的嚴格指標。雖然FPGA也許能完成與ASIC相同的工作，但使用FPGA時，單零件的效能可能會更高。雖然FPGA可以降低專案成本，但儀器的標準成本通常高於使用ASIC完成相同工作的儀器。因此，最大的權衡要素之一歸結為專案成本與產品成本。這種權衡通常是創新業務決策的核心——尤其是在考慮風險、上市時間、設計靈活性和其他工程因素時。雖然專案與產品成本顯然不是唯一的權衡，但通常是在產品開發和突破性創新中使用FPGA和ASIC之間做出決策的首要因素。
FPGA和ASIC之間的最終考慮因素是應用本身。考慮到測試與量測產業中存在的小眾應用數量，若嘗試使用通用FPGA，可能會面臨比預期更多的挑戰。如果工程師試圖將通用零件套用至小眾應用中，則無法保證該零件將支援預期的產品功能。此挑戰有時可以利用創造性工程來克服，但也可能導致專案取消的風險增加、支援關鍵功能的問題，並導致意外的進度延誤。同樣，在FPGA可能展現進度優勢的地方，不可預見的設計挑戰會迅速消除這些優勢，但反過來又會抹煞了成本優勢。如果能夠克服這一點，即使沒有ASIC，也能讓找到解決方案的公司仍然能夠建構差異化產品，因為並非所有公司都能實現創造性的增值工程。
隨著產業的發展，轉向將ASIC整合至FPGA中並不足為奇，這也進一步推動了FPGA的採用率。FPGA供應商注意到上述的所有權衡要素，想要透過在FPGA上包含硬核心IP來最佳化優點並最小化缺點，以支援更多的特定應用。隨著產業的不斷發展，預計這些混合FPGA + ASIC零件也將繼續為所有產業的FPGA開拓更多市場。
儘管FPGA已經取得了長足的進步，但與使用FPGA相比，開發ASIC仍然具有明顯的優勢。那麼，未來FPGA會完全取代對ASIC的需求嗎？可能不會，但在專案成本比以往任何時候都受到更多審查的環境中，FPGA是否正在成為加速開發時越來越重要的選擇？絕對是。
如何在突破性創新中使用ASIC與FPGA
Tektronix在每個新產品開發中都會仔細考慮使用ASIC、FPGA或兩者的混合是否是正確的解決方案。進行時需要考慮產品與專案成本之間的微妙平衡，這與在偏好採用ASIC的應用中使用FPGA所需的工程工作相關。雖然最佳方法沒有神奇的答案，但Tektronix繼續受到FPGA成長的鼓舞，並傾向於在可能的情況下用來縮短新創新的上市時間。使用FPGA不僅可以縮短我們的上市時間，還可以讓Tektronix工程師在整個產品開發過程中向客戶展示初步的產品功能，盡快獲得客戶對概念和功能的回饋。
從組織的角度而言，Tektronix很幸運擁有產業領先的工程師，他們能夠在沒有ASIC的情況下開發差異化產品，進而能夠透過現今市場上沒有的獨特解決方案快速回應產業趨勢和客戶需求。Tektronix的TMT4邊限測試儀以Intel Stratix 10 FPGA為基礎，提供產業顛覆性功能，用於評估PCIe Gen 3和Gen 4裝置中的連結運作狀況。Tektronix為在FPGA平台上建構如此差異化產品的工程師團隊感到非常自豪，同時展示如何透過處於創新核心的FPGA來創造和保持差異化。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年1月號
