實現(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

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

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方面，工程師們要開發(fā)測試設備，驗證這些新技術，以把新技術推向市場。這些工程師必須運行尖端技術，處理預測行業(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性創(chuàng)新挑戰(zhàn)之一，是確定設計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)新的關鍵組件。通過組建專家團隊設計專用電路，開發(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的開發(fā)成本和復雜度也使得大型公司能夠避免行業(yè)內(nèi)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通常還會提供每個部件成本優(yōu)勢。由于設計和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，進而可以獲得更多的凈利投資于未來創(chuàng)新。

嚴格的功率預算是新產(chǎn)品開發(fā)的另一個焦點，在這方面，ASIC經(jīng)常要優(yōu)于FPGA。鑒于FPGA的通用性特點，它在同一應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算，所以沒有什么優(yōu)勢，可能很難滿足工程團隊的設計要求。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，是ASIC開發(fā)的成本和復雜度，這本身就是一把雙刃劍。ASIC的特點是，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)同時開發(fā)的，這會引入明顯的風險。在產(chǎn)品成本優(yōu)勢顯現(xiàn)前，這會在前期增加項目時間和費用。成功開發(fā)ASIC前需要設計、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。

盡管延長項目時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)費用上。根據(jù)產(chǎn)品類型和ASIC開發(fā)的復雜度，新的ASIC可能要花費數(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，因為ASIC和產(chǎn)品開發(fā)時間表真的很長。僅前期投入和項目時間表，就足可以讓機構不敢用ASIC，特別是在FPGA也能實現(xiàn)相同效果的應用中，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，也是一個關鍵考慮因素。ASIC是為其最初預計應用優(yōu)化的，如果需要改動以適應新功能，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這些“變動設計”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。而FPGA則不同，其可以通過固件升級遠程實現(xiàn)變動，靈活性強，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，這種限制可能會進一步加長計劃前端的時間表。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擔，特別是在設計中同時采用FPGA時，而這在商業(yè)和工程設計中通常是一個關鍵考慮因素。

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、項目成本、“變動設計”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算緊張的公司或項目及時開發(fā)產(chǎn)品，同時使前端的開發(fā)時間達到最短，使開發(fā)過程及維持階段的產(chǎn)品靈活性達到最大。

如果一個有吸引力的市場機會迅速出現(xiàn)，正如當今日新月異的技術環(huán)境一樣，那么使用ASIC是很難及時做出反應的。僅僅是ASIC的開發(fā)時間，就可能令公司錯過關鍵市場窗口，讓競爭對手占領先機。

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時間，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)品風險。在許多情況下，這些優(yōu)勢是使用ASIC實現(xiàn)不了的，即使使用ASIC產(chǎn)品的公司有機會在市場窗口后期提供更多的差異化。

隨著FPGA功能的增長，從公司領導層角度很難看到負面效應。項目時間表和預算是考量項目組的傳統(tǒng)主要業(yè)績指標，優(yōu)化這些指標通常被視為最好的決策。實際上，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)新技術時。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)品實現(xiàn)預計目標的難度越大。對試圖進入小眾市場或應用的公司來說，使用FPGA可能是一個難題。嚴格的功率要求、空間限制、產(chǎn)品功能、使用基于FPGA的產(chǎn)品開發(fā)IP，都可能會給開發(fā)帶來風險，在某些情況下，不承受ASIC開發(fā)的成本和時間負擔就實現(xiàn)不了上述目標。

增加的每個部件成本也是一個考慮因素。盡管有很多指標是圍繞項目時間表和項目成本的，但圍繞毛利和經(jīng)營利潤通常也有嚴格的指標。盡管FPGA可能能夠實現(xiàn)與ASIC相同的工作，但在使用FPGA時每個部件成本明顯要高。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(nèi)部商業(yè)決策的核心，特別是在考慮風險、產(chǎn)品開發(fā)周期、設計靈活性及其他工程設計因素時。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，它通常也是前幾個考慮因素之一。

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

隨著行業(yè)演進，業(yè)界轉向把ASIC集成到FPGA中并不奇怪，這推動了FPGA的進一步采用。FPGA廠商已經(jīng)注意到上面所有這些利弊，他們關注的是優(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用。隨著行業(yè)不斷演進，預計這些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。但在項目成本審查越來越嚴的環(huán)境中，F(xiàn)PGA會不會成為更快速開發(fā)中日益相關的一個選項呢？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域的創(chuàng)新機構，泰克非常榮幸地擁有行業(yè)領先的工程師隊伍，能夠在不使用ASIC的情況下實現(xiàn)差異化，通過當今市場上沒有的獨特的解決方案對行業(yè)趨勢和客戶需求作出快速反應。泰克最新推出的創(chuàng)新產(chǎn)品都有力地證明了這一點。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)新技術核心使用FPGA可以怎樣創(chuàng)造及保持差異化。

如需進一步了解這一全新產(chǎn)品，了解在基于FPGA的平臺可以怎樣構建差異化，敬請訪問TMT4產(chǎn)品頁面：https://www.tek.com.cn/products/pciemargintester。

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