פריצת דרך חדשנית בציוד בדיקה ומדידה: ASICs לעומת FPGAs

הגיבורים חסרי-התהילה של ימינו בתחום החדשנות העולמית, במיוחד בכל הקשור להתקנים אלקטרוניים ולטכנולוגיות תקשורת, הם המהנדסים שמפתחים ציוד בדיקה המשמש לתיקוף כל הטכנולוגיות החדשות האלו כדי להביאן לשוק. אחד מאתגרי החדשנות הבסיסיים הוא החלטות הטרייד אוף התכנוניות שיש לקבל בין מעגלים משולבים ספציפיים-ליישום (ASICs) לבין מערכי שערים לוגיים לתכנות-בשטח (FPGAs).

היתרונות והאתגרים של השימוש ב-ASICs בחדשנות פורצת דרך
 ריכוז צוות מומחים כדי לתכנן מעגלים ספציפיים-ליישום ולפתח קניין רוחני (IP) יוצר חומה מסביב למוצרים, דבר שגורם לחברות לשמור על הבידול (Differentiation) בתיקי המוצרים שלהם. העלות והמורכבות של פיתוח ASIC מאפשרות לחברות גדולות להגן על עצמן מפני הפרעה של התעשייה, בעוד שחברות קטנות יותר או סטארטאפים נאלצות לעיתים קרובות להשתמש בחלקים זמינים-מסחרית עם יותר מגבלות ביישומים ספציפיים או יישומי נישה.

ASICs מציעים יתרון עלות לחלק (per-part) בהשוואה לחברות המשתמשות בחלקים זמינים-מסחרית. היות והתכן והקניין הרוחני הם בבעלותו של הספק, ניתן לייצר חלקים בעלות נמוכה יותר מאשר חלקים שזמינים לרכישה מסחרית. יתרון זה מביא לשולי רווח גולמי גבוהים יותר ולהשקעה רבה יותר בחדשנות עתידית.

חישובי מתח מהווים גורם לדאגה בפיתוח מוצרים חדשים, שם ה-ASICs מחזיקים לעיתים קרובות ביתרון על פני FPGAs. FPGA דורשים בדרך כלל יותר מתח לצורך תפקודם מאשר ASIC – עבור אותו יישוםזה מצריך חישוב מתח ללא כל תועלת נוספת, ואף עשוי להקשות על עמידה של צוותי המהנדסים בדרישות התכן.

אם כי יש מספר יתרונות לשימוש ב-ASICs בחדשנות פורצת דרך, הם גם מציגים אתגרים ראויים לציון. אופיו של ה-ASIC הוא כזה שיש לפתח אותו לפני פיתוח המוצר עצמו, או במקביל לפיתוח המוצר, דבר המציב סיכון משמעותי והמוסיף זמן והוצאות לפרויקט.

בעוד שהערכת זמן הפיתוח אינו אידאלי בזמן הפרוייקט, האתגר הגדול ביותר של השימוש ב-ASICs בחדשנות נובע מהוצאות הפיתוח שלהם. ההשקעה הראשונית היא לרוב מחויבות מסיבית מצד חברה שסביר שלא תראה תשואה על ההשקעה זו במשך שנים רבות, זאת הודות ללוחות זמני הפיתוח הן של ה-ASICs והן של המוצר.

ASICs מותאמים היטב ליישום המיועד הראשוני שלהם, אך אם יש צורך בשינוי כדי לטפל בפונקציונליות חדשה, או אם מגלים באג בשלב מתקדם של הפיתוח, ASICs לרוב אינם גמישים מספיק כדי לטפל בצורכי “התכן שנועד לשינוי” האלה. זה עומד לרוב בניגוד ל-FPGAs, שיש להם את הגמישות לטפל בשינויים מרחוק דרך שדרוגי קושחות, דבר שמפריע הרבה פחות לתזרימי העבודה של הלקוח.

עם FPGAs, ניתן להסתדר עם סט קטן יותר של תכונות ראשוניות, שכן ניתן להתאים אותן בהמשך הדרך. חוסר הגמישות הזה אינו מהווה תמיד עול משמעותי, במיוחד כאשר מפתחי FPGA מעורבים בתכן, אך הוא בהחלט גורם משמעותי כשמדובר בטרייד אוף עסקי או הנדסי.

מעבר ליתרונות העדינים יותר בנוגע לעלויות לחלק (per-part costs), למתח, לגודל ולקיבולת, היתרון האמיתי של ASICs מבחינת חדשנות מוצרים הוא בקניין הרוחני ובבידול שזה מאפשר. ASICs אינם הדרך היחידה לקיים בידול תחרותי; ניתן לעשות זאת בסופו של יום תוך שימוש בחלקים זמינים-מסחרית כמו FPGAs.

תמונה: Tester Margin Tektronix The קרדיט: Tektronix

היתרונות והאתגרים של שימוש ב-FPGAs בחדשנות פורצת דרך
FPGAs נמצאים איתנו כבר זמן רב, ומתקדמים עם השנים על מסלול מסוג חוק מור (Moore’s law). עם גמישות הולכת וגדלה מבחינת דרישות מתח ונפח, FPGAs מצליחים להפגין תחרות רצינית מול ASICs במגוון יישומים.

היתרונות העיקריים של השימוש ב-FPGA בחדשנות פורצת דרך הם בדיוק החסרונות של השימוש ב-ASIC – משך הזמן להגעה לשוק, עלות הפרויקט והגמישות הכרוכה ב”תכן שנועד לשינוי”.

אם צצה בשוק הזדמנות אטרקטיבית מפתיעה, כפי שאכן קורה בסביבה הטכנולוגית המהירה כיום, לאלה המשתמשים ב-ASIC קשה להגיב בזמן.

השימוש במוצר מבוסס-FPGA, בניגוד למוצר מבוסס-ASIC, יכול להעניק לחברות את זמן התגובה הנחוץ כדי להשיג יתרון של המגיב הראשון בשוק. בנוסף, הוא גם מציע את היכולת לפתח דיון עם הלקוחות בשלב מוקדם יותר על הקונספט והתכונות של המוצר, זאת כדי לסלק סיכונים מהמוצר הרבה לפני השקתו.

עם הגידול ביכולות FPGA, קשה להצביע על חסרונות מנקודת המבט של הנהלת החברה. למעשה, בזמן שהיתרונות האלה הופכים למושכים יותר ויותר, FPGAs מתוכננים לתמוך בשימוש רוחבי. ככל שהמהנדס יותר דוחף FPGA מסוים ליישום חדש או ליישום נישה, כך קשה לו יותר לגרום למוצר לעבוד כפי שתוכנן. עבור חברות המנסות לחדור לשוקי נישה או ליישומי נישה, השימוש ב-FPGA יכול להיות משימה מאתגרת. דרישות מתח מחמירות, מגבלות נפח, יכולות מוצר ופיתוח קניין רוחני תוך שימוש במוצר מבוסס-FPGA יכולים להכניס אלמנט של סיכון לפיתוח, ובמקרים מסוימים להפוך את הפיתוח לבלתי אפשרי בכלל עובדה שעולה על שיקולי העלות והזמן הכרוכים בפיתוח ASIC.

צריך לקחת בחשבון גם את המחיר הנוסף לחלק. אם כי יש מדדים בנוגע ללוחות זמנים ולעלויות של פרויקטים, יש לעיתים קרובות מדדים קשוחים בנוגע לשולי רווח גולמי ותפעולי. למרות ש-FPGA מסוגל לבצע אותה עבודה כמו ASIC, העלות לחלק עלולה להיות הרבה יותר גבוהה כשמשתמשים ב-FPGA. FPGAs יכולים להוריד את עלויות הפרויקט, אך העלות הסטנדרטית של המכשיר גבוהה בדרך כלל מזו של מכשיר המשתמש ב-ASIC לביצוע אותה עבודה. הטרייד אוף הזה נמצא במקרים רבים בלב ההחלטות העסקיות הקשורות לחדשנות.

השיקול הסופי להחלטה בין FPGA לבין ASIC הוא היישום עצמו. אם מהנדס מנסה להתאים חלק שנועד לשימוש כללי לתוך יישום נישה, אין כל ערובה לכך שהחלק הזה יתמוך בתפקוד המוצר המיועד. ניתן לפעמים להתגבר על האתגר הזה באמצעות הנדסה יצירתית, אך זה יכול גם לגרום לסיכון מוגבר של ביטול פרויקטים, בעיות בתמיכה בתכונות עיקריות, ועיכובים לא-צפויים בלוחות זמנים. ושוב, היכן ש-FPGA יכול להציע יתרונות מבחינת לוחות זמנים, אתגרי התכן הלא-צפויים עלולים למחוק את היתרונות האלה במהירות, דבר שעלול לגרום למחיקת היתרונות במחיר.

ככל שהתעשייה מתפתחת, אין זה מפתיע לצפות במעבר לשילוב ASICs לתוך FPGAs, תופעה שהניעה אימוץ רחב אף יותר של FPGAs. לאחר שלוקחים בחשבון את כל הטרייד אופים שהוזכרו לעיל, ספקי FPGAs מעוניינים למטב את היתרונות ולמזער את החסרונות, זאת על ידי הכללת קניין רוחני קשיח על ה-FPGAs שלהם כדי לאפשר תמיכה ביותר יישומי נישה. עם התפתחות התעשייה, אנו צפויים לראות כיצד חלקי ה-FPGAs וה-ASICs ההיברידיים האלה ממשיכים להגדיל את נתח השוק שלהם עבור FPGAs בכל התעשיות.

אז איך צפוי להיראות העתיד שבו FPGAs יחליפו לגמרי את הצורך ב-ASICs? לא כל כך סביר שזה יקרה, אך האם FPGAs יהפכו להיות אופציה יותר ויותר רלוונטית לפיתוח מהיר יותר בסביבה שבה עלות הפרויקט נבחנת באופן הדוק יותר מתמיד? ללא ספק.

איך מתייחסת Tektronix ל-ASICs ול-FPGAs בחדשנות פורצת דרך
Tektronix שוקלת לעומק בכל פיתוח מוצר חדש שלה מהו הפתרון הנכון – שימוש ב-ASICs, שימוש ב-FPGAs או שימוש בשילוב של שניהם. למרות שאין תשובת קסם לשאלה מהי הגישה הטובה ביותר, Tektronix ממשיכה לשאוב עידוד מהצמיחה בשוק ה-FPGAs, ונוטה להשתמש בהם היכן שניתן כדי לשפר את “הזמן לשוק” ((Time to market של החדשנויות שלנו. השימוש ב-FPGAs לא רק שהוא מקטין את זמן הגעת המוצר לשוק, אלא גם מאפשר למהנדסי Tektronix להציג פונקציונליות ראשונית של מוצרים בפני לקוחות לכל משך פיתוח המוצר ולקבל משוב מהלקוחות בהקדם האפשרי על הקונספט ועל התכונות.

כארגון, Tektronix נהנית מכך שיש לה מהנדסים מובילים בתעשייה המסוגלים ליצור בידול ללא שימוש ב-ASICs, דבר המאפשר זמני תגובה מהירים למגמות העולות בשוק ולצורכי הלקוחות, כל זאת באמצעות פתרונות ייחודיים שאינם זמינים בשוק כיום.

אנדראה וינצ’י – מנהל שיווק טכני לאזור EMEA קרדיט צילום: Tektronix

חדשנות המוצר החדשה ביותר של Tektronix היא דוגמה מפוארת לכך. מכשיר ה-TMT4 Margin Tester מבוסס על Intel Stratix 10 FPGA ומציע יכולות יוצרות-הפרעה בתעשייה להערכת בריאות הקישורים במכשירי PCIe Gen 3 וכן Gen 4. Tektronix מלאה בגאווה על צוות המהנדסים שיצר מוצר כה מבודל על פלטפורמת FPGA, ודבר זה מדגים כיצד ניתן ליצור ולתחזק בידול בעזרת FPGAs המצויים בלב החדשנות של החברה.

אנדראה וינצ’י – מנהל שיווק טכני לאזור EMEA
אנדראה הוא מנהל שיווק טכני ב-Tektronix האחראי על תיק מוצרי Keithley. הוא עשה את התואר השני שלו בהנדסה אלקטרונית באוניברסיטת פדואה ב-2000, ותרם לסטנדרט I.V.I עבור T&M. לאחר מכן בילה 12 שנים בתפקידים טכניים שונים. ב-2011 הוא הצטרף ל-Tektronix ופיתח קריירה בתחום המכירות עם התמקדות בלקוחות בתחום המוליכים-למחצה וענף הרכב באזור EMEA, עם התמחות בפתרונות לבדיקת התקנים ואביזרים אלקטרוניים לאספקת מתח. הצטרפותו למחלקת השיווק פתחה פרק חדש בקריירה שלו.

למידע נוסף על המוצר החדש המרתק הזה, ולפרטים נוספים על האופן שבו ניתן ליצור בידול על גבי פלטפורמת FPGAs, בקרו בדף המוצר של TMT4 בכתובת http://www.tek.com/en/products/pciemargintester