Messgeräte entwickeln Test- und Messtechnik: Die Vorteile von FPGA und ASIC abwägen

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Leistungsstarke Messgeräte lassen sich sowohl mit ASIC- als auch mit FPGA-Komponenten entwickeln. Ein ASIC lässt sich auf die künftige Hardware anpassen und ein FPGA ist flexibler. Es gibt keine Patentlösung, aber für Tektronix bieten FPGAs die wichtigeren Vorteile.

Die Messtechnik ist ein schönes Beispiel für die ingenieurtechnischen Entwicklungen. Denn die Hardware-Entwickler müssen gerade für die vielen elektronischen Geräte und die komplexe Welt der Kommunikationstechnik ganz unterschiedliche Messgeräte entwickeln. Dabei kommt es darauf an, abzuwägen, ob eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASICs) oder feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) in das Messgerät integriert werden sollen.

Die Zusammenstellung eines entsprechenden Expertenteams für den Entwurf anwendungsspezifischer Schaltungen und die Entwicklung von geistigem Eigentum ermöglicht es den jeweiligen Messtechnik-Hersteller, sich in ihren Portfolios zu differenzieren. Gleichzeitig können sich größere Unternehmen mit eigen-entwickelten ASIC-Komponenten unabhängiger von Zulieferern aufstellen und so vor Veränderungen in der Branche schützen. Hier sind kleinere Unternehmen (KMUs) und Start-ups oft gezwungen, handelsübliche Teile auf dem Markt zu kaufen. Allerdings mit dem Nachteil, in spezifischen oder Nischenanwendungen nur eingeschränkt Funktionen zu bieten.

Der Einsatz eines ASICs in der Messtechnik

Ein ASIC bietet im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Bauteilen einen Kostenvorteil pro Bauteil. Der Entwurf des ASICs und die damit verbundenen integrierten Funktionen sowie den damit verbundenen Know-how bleiben im Besitz des ASIC-Anbieters. Deshalb lassen sich ASIC-Komponenten zu geringeren Kosten herstellen als Bauteile, die im Handel erhältlich sind. Dieser Vorteil ermöglicht höhere Bruttomargen und größere Investitionen in künftige Messgeräte.

ASICs spielen auch dann eine wichtige Rolle, wenn es um energiesparende Geräte geht. Denn hier haben sie gegenüber FPGAs einen Vorteil. Ein FPGA benötigt in der Regel mehr Strom als ein ASIC in der gleichen Anwendung. Der Einsatz eines ASICs bei aktuellen Hardware-Entwicklungen bietet zwar eine Reihe von Vorteilen, birgt jedoch auch Probleme beim Design der Hardware. Ein ASIC wird entweder noch vor dem eigentlichen Produkt entwickelt oder parallel zum Produkt. Das stellt für einen Hardware-Hersteller ein erhebliches Risiko dar, was zugleich auch das Projekt zeitlich und finanziell belastet.

Eine längere Projektlaufzeit wird nicht angestrebt, aber die größte Herausforderung beim Einsatz von ASICs für neuentwickelte Hardware sind die Entwicklungskosten. Hier muss das Unternehmen in Vorleistung gehen und eine Rendite aus den langen ASIC- und Produktentwicklungszeiten ist erst nach vielen Jahren wahrscheinlich.

Ein ASIC-Baustein ist für die jeweils vorgesehene Anwendung optimiert. Ist allerdings eine funktionale Änderung erforderlich, dann sind ASICs nicht flexibel genug. Eine solche Änderung kann beispielsweise ein Fehler während der Entwicklung sein oder wenn neue Funktionen in das Gerät implementiert werden sollen. Ganz im Gegensatz zu FPGAs. Sie sind flexibel und Änderungen lassen sich aus der Ferne (OTA) über Firmware-Upgrades vornehmen.

Ein FPGA ist flexibler für Hardware-Entwickler

Bei FPGAs ist ein viel lockererer Rahmen von anfänglichen Funktionsanforderungen möglich. Grund: Ihre Funktionen lassen sich im Laufe der Entwicklung anpassen und ergänzen. Allerdings muss weniger Flexibilität für einen Hardware-Entwickler kein Problem sein. Vor allem dann nicht, wenn die Hardware-Designer FPGAs für ihr Design verwenden.

Abgesehen von den Vorteilen in Bezug auf die Kosten pro Bauteil, den Stromverbrauch, die Größe und die Fähigkeiten liegt der wesentliche Vorteil von ASICs bei zwei Punkten: Die Funktionen der Messgeräte lassen sich genau abstimmen und unterscheiden sich damit wesentlich von den Geräten des Wettbewerbs. ASICs sind nicht die einzige Möglichkeit, um sich abzugrenzen. Das lässt sich auch mit konventionellen FPGA-Bausteinen erfolgen.

FPGAs gibt es schon länger auf dem Markt und sie haben sich im Laufe der Jahre nach dem Mooreschen Gesetz entwickelt. Mit zunehmender Flexibilität in Bezug auf den Energie- und Platzbedarf bieten FPGAs gegenüber den ASICs Vorteile. Zur Wahrheit gehört aber auch, dass die Vorteile eines FPGAs gleichzeitig die Nachteile bei einem ASIC sind: Hardware lässt sich mit einem FPGA schneller realisieren und auf den Markt bringen. Damit sinken Projektkosten und die Entwickler sind flexibler, wenn Funktionen in der Hardware verändert werden müssen, Stichworte „Design for Change“.

Bei den heute sehr schnelllebigen Technologien ist es für Hardware-Entwickler schwierig, mit einem ASIC schnell auf die sich verändernde Marktlage und technische Entwicklungen zu reagieren. Hier ist der Einsatz eines FPGA-basierten Produkts im Vorteil. Angesichts der zunehmenden Möglichkeiten, die der Einsatz von FPGAs bietet kann es schwierig sein, die Nachteile aus Sicht der Unternehmensführung zu sehen. In der Realität werden die Vorteile eines FPGAs verlockender, aber FPGAs sind für den allgemeinen Einsatz konzipiert.

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Die Grenzen bei einem FPGA für Hardware-Entwickler

Je mehr ein Entwickler ein FPGA in eine neue oder eine Nischenanwendung zwingt, desto schwieriger wird es, wie ein fertiges Produkt wie vorgesehen arbeiten soll. Gerade bei sehr spezifischen Anwendungen und Nischen sind FPGAs nur bedingt einzusetzen. Strenge Leistungsanforderungen, Platzbeschränkungen, Produktfunktionen und schließlich das einfließende Know-how erschweren die Entwicklung eines FPGA-basierten Produkts. In einigen Fällen sind FPGAs auch wieder ungeeignet für ein Messgerät.

Während ein FPGA die gleiche Aufgabe wie ein ASIC erfüllen kann, unterscheiden sie sich allerdings in Kosten pro Bauteil erheblich. Denn die Kosten sind bei einem FPGA deutlich höher als bei einem ASIC. Obwohl die Projektkosten bei einem FPGA niedrig sind, fallen die Standardkosten des künftigen Geräts höher aus, als bei einem Gerät mit ASIC.

Die endgültige Abwägung zwischen FPGAs und ASICs liegt in der Anwendung selbst. Wenn ein Entwickler versucht, einen Allzweckbaustein in eine Nischenanwendung einzupassen, wird das nicht funktionieren. Zwar lässt sich das durch kreatives Engineering überwinden, führt aber zu einem erhöhten Risiko von Projektabbrüchen, Problemen bei der Unterstützung von Schlüsselfunktionen und zu unvorhergesehenen Zeitverzögerungen.

Ein FPGA spielt seine Vorteile bei der Entwicklungszeit aus, doch können unvorhergesehene Designprobleme die Vorteile schnell zunichte machen. Künftig werden FPGAs den Bedarf an ASICs nicht ersetzen. Allerdings werden FPGAs zu einer wichtigeren Option, wenn Hardware schneller entwickelt und auf den Markt gebracht werden soll und gleichzeitig die Projektkosten mehr denn je auf dem Prüfstand stehen.

Zwischen ASIC und FPGA bei der Hardware-Entwicklung abwägen

Messtechnik-Hersteller Tektronix wägt bei jeder neuen Produktentwicklung sorgfältig ab, ob der Einsatz von ASICs, FPGAs oder einer Mischung aus beidem in die neue Messgeräte-Generation verbaut werden soll. Es gibt keine Patentlösung für den besten Ansatz. Die Vorteile der FPGAs liegen in der schnellen Produktumsetzung und Tektronix wird die programmierbaren Bausteine in seine Hardware verbauen. Vor allem vor dem Hintergrund, wenn Markteinführungszeiten verkürzt werden sollen.

Denn der Einsatz eines FPGAs verkürzt nicht nur Entwicklungszeiten, sondern ermöglicht es Tektronix außerdem, den Kunden während der Produktentwicklung erste Produktfunktionen vorzustellen und so umgehend Kundenfeedback zu Konzepten und Funktionen einzuholen. Als ein multinationales Unternehmen ist Tektronix in der Lage, über branchenführende Entwickler zu verfügen. Sie sind in der Lage, differenzierte Anwendungen ohne ASICs zu entwickeln. Damit kann das Unternehmen schnell auf Branchentrends und Kundenbedürfnisse reagieren.

* Andrea Vinci ist Technical Marketing Manager EMEA bei Tektronix.

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