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

技術(shù)改良一直走在行業(yè)進(jìn)步的前沿，但世紀之交以來(lái)，隨著(zhù)科技進(jìn)步明顯迅猛發(fā)展，消費者經(jīng)常會(huì )對工程師面臨的挑戰想當然，因為他們覺(jué)得工程師本身就是推動(dòng)世界進(jìn)步的中堅力量。

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(kāi)發(fā)測試設備，驗證這些新技術(shù)，以把新技術(shù)推向市場(chǎng)。這些工程師必須運行尖端技術(shù)，處理預測行業(yè)和創(chuàng )新未來(lái)的挑戰。在開(kāi)創(chuàng )未來(lái)的過(guò)程中，測試測量工程師面臨的基礎性創(chuàng )新挑戰之一，是確定設計中采用專(zhuān)用集成電路(ASIC)還是現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。

突破創(chuàng )新中采用ASIC的優(yōu)勢和挑戰

在歷史上，ASIC一直是測試測量創(chuàng )新的關(guān)鍵組件。通過(guò)組建專(zhuān)家團隊設計專(zhuān)用電路，開(kāi)發(fā)IP，公司可以給自己的產(chǎn)品架起一條護城河，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(kāi)發(fā)成本和復雜度也使得大型公司能夠避免行業(yè)內卷，因為小型公司和初創(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用或小眾應用。

與使用商用部件相比，ASIC通常還會(huì )提供每個(gè)部件成本優(yōu)勢。由于設計和IP歸廠(chǎng)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(kāi)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(lái)創(chuàng )新。

嚴格的功率預算是新產(chǎn)品開(kāi)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)，它在同一應用中要求的工作功率一般要高于A(yíng)SIC。這會(huì )占用表格中的功率預算，所以沒(méi)有什么優(yōu)勢，可能很難滿(mǎn)足工程團隊的設計要求。由于A(yíng)SIC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(lái)了許多明顯挑戰。與競爭對手差異化及避免低端內卷的代價(jià)，是ASIC開(kāi)發(fā)的成本和復雜度，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(kāi)發(fā)前開(kāi)發(fā)的，要么是與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)同時(shí)開(kāi)發(fā)的，這會(huì )引入明顯的風(fēng)險。在產(chǎn)品成本優(yōu)勢顯現前，這會(huì )在前期增加項目時(shí)間和費用。成功開(kāi)發(fā)ASIC前需要設計、定型、一輪又一輪，可能意味著(zhù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)開(kāi)始前，就要用幾年的時(shí)間開(kāi)發(fā)ASIC。如果約定的路線(xiàn)圖和資源規劃沒(méi)有在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間表很早之前就到位，那么很多公司都會(huì )手忙腳亂。

盡管延長(cháng)項目時(shí)間表不是理想的方案，但毫無(wú)疑問(wèn)，在創(chuàng )新中使用ASIC的最大挑戰最終落在開(kāi)發(fā)費用上。根據產(chǎn)品類(lèi)型和ASIC開(kāi)發(fā)的復雜度，新的ASIC可能要花費數十萬(wàn)美元到數千萬(wàn)美元。對公司來(lái)說(shuō)，這么大的前期投入通常是一筆豪賭，公司在許多年內都看不到投資回報，因為ASIC和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間表真的很長(cháng)。僅前期投入和項目時(shí)間表，就足可以讓機構不敢用ASIC，特別是在FPGA也能實(shí)現相同效果的應用中，盡管FPGA在節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是為其最初預計應用優(yōu)化的，如果需要改動(dòng)以適應新功能，或者開(kāi)發(fā)后期發(fā)現漏洞，那么ASIC通常不夠靈活以適應這些“變動(dòng)設計”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(dòng)。而FPGA則不同，其可以通過(guò)固件升級遠程實(shí)現變動(dòng)，靈活性強，對客戶(hù)工作流程的影響要小得多。

ASIC缺乏靈活性還會(huì )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(kāi)發(fā)ASIC。也就是說(shuō)，所有相關(guān)功能定義必須完全定型，才能開(kāi)始開(kāi)發(fā)，考慮到仿真和布線(xiàn)，這種限制可能會(huì )進(jìn)一步加長(cháng)計劃前端的時(shí)間表。FPGA則可以接受松散得多的功能要求，而且可以邊用邊調整。ASIC缺乏靈活性并不一直是明顯的負擔，特別是在設計中同時(shí)采用FPGA時(shí)，而這在商業(yè)和工程設計中通常是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。

盡管有這么多挑戰，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)現差異化呢？

突破創(chuàng )新中采用FPGA的優(yōu)勢和挑戰

FPGA已經(jīng)出現了很長(cháng)時(shí)間，多年來(lái)其發(fā)展軌跡一直遵循摩爾定律。十年前被視為FPGA的夢(mèng)幻功能，現在主流部件中都有了，并已經(jīng)提供給所有項目類(lèi)型的開(kāi)發(fā)商。隨著(zhù)功率和空間要求的靈活性不斷提高，FPGA在許多應用中正和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(shuō)，就是使用ASIC的劣勢：產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、項目成本、“變動(dòng)設計”的靈活度。隨著(zhù)FPGA的能力不斷提高，以前鐵定使用ASIC的最簡(jiǎn)明的應用現在也不見(jiàn)得再有優(yōu)勢。這種功能的提高通?？梢詭椭A算緊張的公司或項目及時(shí)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，同時(shí)使前端的開(kāi)發(fā)時(shí)間達到最短，使開(kāi)發(fā)過(guò)程及維持階段的產(chǎn)品靈活性達到最大。

如果一個(gè)有吸引力的市場(chǎng)機會(huì )迅速出現，正如當今日新月異的技術(shù)環(huán)境一樣，那么使用ASIC是很難及時(shí)做出反應的。僅僅是ASIC的開(kāi)發(fā)時(shí)間，就可能令公司錯過(guò)關(guān)鍵市場(chǎng)窗口，讓競爭對手占領(lǐng)先機。

與使用基于A(yíng)SIC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時(shí)間，在市場(chǎng)中獲得先發(fā)優(yōu)勢。此外，它還可以提前讓客戶(hù)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。在許多情況下，這些優(yōu)勢是使用ASIC實(shí)現不了的，即使使用ASIC產(chǎn)品的公司有機會(huì )在市場(chǎng)窗口后期提供更多的差異化。

隨著(zhù)FPGA功能的增長(cháng)，從公司領(lǐng)導層角度很難看到負面效應。項目時(shí)間表和預算是考量項目組的傳統主要業(yè)績(jì)指標，優(yōu)化這些指標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(lái)越誘人，但它可能會(huì )讓工程師限入艱難的境地，特別是在開(kāi)創(chuàng )新的創(chuàng )新技術(shù)時(shí)。FPGA是為支持一般用途設計的。工程師在新應用或小眾應用中使用FPGA越多，產(chǎn)品實(shí)現預計目標的難度越大。對試圖進(jìn)入小眾市場(chǎng)或應用的公司來(lái)說(shuō)，使用FPGA可能是一個(gè)難題。嚴格的功率要求、空間限制、產(chǎn)品功能、使用基于FPGA的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)IP，都可能會(huì )給開(kāi)發(fā)帶來(lái)風(fēng)險，在某些情況下，不承受ASIC開(kāi)發(fā)的成本和時(shí)間負擔就實(shí)現不了上述目標。

增加的每個(gè)部件成本也是一個(gè)考慮因素。盡管有很多指標是圍繞項目時(shí)間表和項目成本的，但圍繞毛利和經(jīng)營(yíng)利潤通常也有嚴格的指標。盡管FPGA可能能夠實(shí)現與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能夠降低項目成本，但其標準儀器成本一般要高于使用ASIC完成同一工作的儀器。因此，最大的權衡因素之一落在項目成本還是產(chǎn)品成本上。這種權衡通常位于創(chuàng )新內部商業(yè)決策的核心，特別是在考慮風(fēng)險、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、設計靈活性及其他工程設計因素時(shí)。即使項目成本和產(chǎn)品成本不是明確的權衡因素，在產(chǎn)品開(kāi)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)考慮因素是應用本身。鑒于測試測量行業(yè)存在著(zhù)大量的小眾應用，試圖使用通用FPGA可能會(huì )比預期帶來(lái)更多挑戰。如果工程師試圖把通用部件放到小眾應用中，那么就無(wú)法保證這個(gè)部件支持預計的產(chǎn)品功能。有時(shí)候通過(guò)創(chuàng )造性工程設計可能能克服這種挑戰，但這會(huì )提高項目取消的風(fēng)險，產(chǎn)生支持關(guān)鍵功能的問(wèn)題，導致非預計的時(shí)間表延遲。在FPGA可能提供時(shí)間表優(yōu)勢的同時(shí)，沒(méi)有預見(jiàn)到的設計挑戰可能會(huì )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(wèn)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(méi)有ASIC，而是通過(guò)創(chuàng )造性的增值工程設計，當然并不是所有公司都能實(shí)現這一點(diǎn)。

隨著(zhù)行業(yè)演進(jìn)，業(yè)界轉向把ASIC集成到FPGA中并不奇怪，這推動(dòng)了FPGA的進(jìn)一步采用。FPGA廠(chǎng)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(guò)在FPGA上包括IP，來(lái)支持更多的小眾應用。隨著(zhù)行業(yè)不斷演進(jìn)，預計這些FPGA + ASIC混合部件會(huì )繼續在各行各業(yè)中搶占更多的FPGA市場(chǎng)。

盡管FPGA取得了很大進(jìn)展，但開(kāi)發(fā)ASIC較使用FPGA仍有明顯的優(yōu)勢。那么，將來(lái)FPGA會(huì )不會(huì )完全替代ASIC需求呢？可能不會(huì )。但在項目成本審查越來(lái)越嚴的環(huán)境中，FPGA會(huì )不會(huì )成為更快速開(kāi)發(fā)中日益相關(guān)的一個(gè)選項呢？絕對會(huì )。

泰克在突破創(chuàng )新中怎樣處理ASIC還是FPGA的問(wèn)題？

泰克在每個(gè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中都審慎地考慮是采用ASIC、FPGA還是兩者混合。我們會(huì )考慮產(chǎn)品成本與項目成本的微妙平衡，并考慮在首選使用ASIC的應用中使用FPGA所要求的工程工作量。盡管最佳方法沒(méi)有統一答案，但泰克一直受到FPGA增長(cháng)的鼓舞，在可能的情況下一般會(huì )使用FPGA來(lái)改善新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。使用FPGA不僅有利于我們的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，還可以讓泰克工程師在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期中，趕在客戶(hù)前面獲得初步產(chǎn)品功能，盡快把握客戶(hù)對概念和功能的反饋。

作為一家測試測量領(lǐng)域的創(chuàng )新機構，泰克非常榮幸地擁有行業(yè)領(lǐng)先的工程師隊伍，能夠在不使用ASIC的情況下實(shí)現差異化，通過(guò)當今市場(chǎng)上沒(méi)有的獨特的解決方案對行業(yè)趨勢和客戶(hù)需求作出快速反應。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隊，能夠在FPGA平臺上構建這樣的差異化產(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。