ASIC-chips sender konkurrenten til tælling

Opadstræbende båndbredder og større krav til oscilloskoperne vil gøre, at ASIC-chippen udkonkurrerer FPGA-chippen som skopernes centrale processorenhed, mener Rohde & Schwarz.

Hvad har din iPhone 4S tilfælles med et moderne oscilloskop i gigahertz-klassen? I begge apparater sidder der en ordentlig krabat af en ASIC-chip og tager sig af mange af de funktioner, som tidligere var overladt til CPU'ens software. Det gælder f.eks. seriel afkodning og masketest, og det betyder oscilloskoper med hurtigere responstider og større ydeevne.

»Vi fortsætter med at rykke tingene fra software til hardware og med at rykke dem ind i nye generationer af ASIC's. For 20 år siden var det softwaren, der løste de fleste processoropgaver, nu er det hardwaren,« forklarer Dan Timm, udviklingschef hos amerikanske Agilent, over en telefon fra Colorado.

»Det øger ydeevnen gevaldigt. Hardwaren kører parallelt med softwaren, og det får CPU'en til at kunne meget mere, eksempelvis øget responstid, grafik og mere komplekse målinger.«

Hardware og software smelter sammen: Via en intern bus er databehandlingen implementeret i hardwaren i Agilents 3000X-oscilloskoper. Skopets mikrochip, en ASIC af typen MegaZoom IV SOC, kan derfor sample det indkomne 4 GB/s-signal og sende det rundt i chippen med lige så høj hastighed, altså databehandling i realtid. Det ville traditionel databehandling i en CPU ikke kunne klare. (Kilde: Agilent - Grafik: Martin Kirchgässner)

Historisk set har ASIC-chips og FPGA-chips konkurreret om at være den centrale processorenhed i skoperne. Enten har man det ene, eller også har man det andet. Enten en dyr ASIC med høj båndbredde og lav funktionalitet eller et billigere FPGA-board, som løbende kan reprogrammeres, men som ikke leverer lige så meget regnekraft.

Nu tyder meget på, at ASIC-chippen er ved at sende FPGA'en ud af markedet for højteknologiskoper. Med båndbredder helt oppe i den tocifrede gigahertzklasse er det nemlig kun ASIC'en, der kan følge med, vurderer salgschef hos Rohde & Schwarz, Tomas Rønberg.

»Nu snakker vi gigahertz-området, og vores næste skop er et 4 GHz. Men ellers er vi oppe i 30 og 40 gigahertz, og det er den vej, man går. Og i den forbindelse er det p.t. udelukkende fortrykte ASIC's, som Rohde & Schwarz anvender,« siger han.

Ufatteligt udfordrende

Netop i ordet 'fortrykt' ligger en væsentlig del af forklaringen på, hvorfor ASIC-chippen ikke for længst har udkonkurreret FPGA'en. For lige så multifunktionel ASIC-chippen er, lige så lidt omprogrammerbar er den. Har man først trykt et printkort til en ASIC, er der ingen vej tilbage. Så hænger man fast i det design - i modsætning til FPGA-chippen, som man løbende kan tilpasse til sit system, men som altså ikke kan klare samme performance som konkurrenten.

»Det, der er så ufatteligt udfordrende er, at du ikke kan gå ud at købe en ASIC nogle steder, som kan løfte vores krav til regnekraft. Der stilles større og større krav til målenøjagtighed og signalintegritet. Vi har derfor investeret i udviklingen af disse kraftige ASIC-chips, så man har fuldstændig styr på kvaliteten af det, man udvikler,« siger Tomas Rønberg.

Men et paradigmeskift i forhold til udviklingen af ASIC-chips ligger måske og venter lige om hjørnet. I hvert fald fortæller udviklingsingeniør hos Rohde & Schwarz Kristian Sørensen, at det efterhånden er muligt at lave ASIC's, der kan omprogrammeres - ligesom man allerede ser det i platformen til Playstation og i grafikprocessoren Nividia.

»Det er et paradigmeskifte, hvor man siger, at man stadig gerne vil have kæmpe båndbredde, men vi ved også, at opgavernes natur ændrer udseende. Man har fået bedre analyseværktøjer til at forstå problemer, og samtidig er vi i software blevet bedre til at få mest mulig performance ud af systemet. Det er et udviklingsskift, hvor man er blevet mere opmærksom på sådan nogle ting. Tidligere var man mere interesseret i at dele tingene op i software og hardware,« lyder det fra Kristian Sørensen, der er en del af koncernens udviklingsafdeling i Aalborg.

FPGA'en udfases

Måden at gøre de ellers ufleksible ASIC's væsentligt mere fleksible på, er kort fortalt ved at lave såkaldte split designs, hvor ASIC'en udfører de kritiske opgaver meget hurtigt, mens eksempelvis visuel signalbehandling som grafer, opsamling af data og andre mindre tidskritiske opgaver, udføres af CPU'ens software.

På den måde sikres lynhurtig signalbehandling plus længere levetid - sidstnævnte er ellers en anden af ASIC-chippens svagheder.

»Overordnet set kan designet af fremtidige generationer ASIC-chips gøre, at behovet for at have FPGA'erne måske ikke er så stort som tidligere. Nu kan man lave en front-end, der er hurtig nok med en ASIC bagved, og så udfaser vi måske på lang sigt FPGA'en. Så man giver afkald på rekonfigurerbare hardwaredele og laver en ASIC, der kan håndtere de basale regneopgaver lynhurtigt. Og så laver man noget software bagved, der løser resten af opgaverne, så man kan sikre levetiden på den måde,« forklarer Kristian Sørensen.

Ikke alle har råd til en ASIC

Dan Timm fra Agilent er helt enig i, at en ASIC-chip til enhver tid vil give højere ydeevne end en FPGA. Men der vil ifølge ham dog også stadig være plads til sidstnævnte.

»Både ASIC-chips og FPGA-chips har deres plads i oscilloskoparkitektur. Ligesom mange embedded-systemer i skoperne har FPGA'en en rolle at spille i forhold til CPU'ens logik. ASIC-chippen vil selvfølgelig give højere ydeevne, men det er ikke alle forhandlere, der har råd til ASIC-udvikling,« mener Dan Timm.

Agilent lancerede sidste år en oscilloskopserie, hvis kerne netop er en egenudviklet, avanceret ASIC-chip, MegaZoom IV, der varetager hovedparten af instrumentets funktioner. Det giver en opdateringshastighed på 1 million waveforms i sekundet, ligesom skopet bl.a. rummer en logikanalysator og en protokolanalysator.

Netop alsidigheden - mere end høje båndbredder som sådan - er afgørende for en af de kunder, høreapparatproducenten GN Resound, som på daglig basis nyder godt af den nyudviklede ASIC.

»Oscilloskopet kan leveres med forskellige optioner, blandt andet en I2S- og en I2C-dekoder/analysator. Så oscilloskopet kan dekode interfacet og påpege fejl i kommunikationen. Det er smart, og det er fantastisk, at man kan få det med. Og det er nok en konsekvens af, at skopet er ASIC-baseret,« lyder skudsmålet fra Henrik Holm Johansen, udviklingsingeniør hos GN Resound.

Emner Chips

Kommentarer (1)

Årsagen til at udvikle A/D konverteren, og den efterfølgende processorbehandling i ASIC chips, er formentligt kun, at konkurenterne derved ikke kan købe chip'sene. Idag kan du få A/D konvertere, programmerbare forstærkere, og alt det andet du skal bruge til et hurtigt skop som chips, uden de behøver at være ASIC.

Udover den analoge del, som naturligvis skal laves som ASIC's, indtil nogle sætter deres ASIC's på markedet og sælger A/D konvertere med forrygende hastighed, så skal den digitale del naturligvis også laves som ASIC, for at få dem hurtige nok. Igen, så er de funktioner, som anvendes i et skop, så fundementale, at man nemt kan lave chips til almindelig handel, der ikke behøver at være ASIC, og som er specialsyet til at udføre sådanne funktioner. Ofte vil man søge at gøre dem lidt mere anvendelige, end de måske vil være i et skop, så der bliver flere features. Præcis samme type signalbehandling, hvor der kræves samme store hastighed, er sandsynligvis relevant mange andre steder.

ASIC's har stort set ingen fremtid. Der er få steder, hvor ASIC har en fremtid:
1: Hvis du ikke kan få dine chips på markedet endnu, og ønsker at afsætte milliardbeløb til udvikling, uden at give konkurenter mulighed for at kunne købe chipsene. Dette virker dog kun i kort tid, da der med stor sikkerhed kommer chips på markedet, som kan klare det samme. Men du kan få to års forspring.
2: Hvis du vil "beskytte" din teknologi. Så længe konkurenterne ikke kan det samme som dig, så får de svært ved at "kopiere" så længe du bruger ASIC chips, og kun laver udvikling med henblik på at lægge det i ASIC. Det er dog meget normalt, at din udvikling alligevel havner hos konkurenter. Dels, så kan medarbejdere headhuntes, eller det kan være de frivilligt skifter til ny arbejdsplads. Og det betyder, at de reelt tager deres viden, og faglige kompentence med dem.
3: Du kan vælge at lave ASIC's på grund af strømforbrug. FPGA løsninger, har meget svært ved at leve op til ASIC's. Men selv indenfor høreapparater, udvikler man mere generalle løsninger, og før eller siden, vil man måske få chips, der både har et lavt forbrug, og som kan købes. Så hvis at man ikke allerede er gået fra ASIC'sene, så vil det måske ske snart.

Hvis at fremstille ASIC's bliver meget billigere - så kan jeg ikke udelukke, at fremtiden er ASIC's. Det vil muliggøre mange kan lave ASIC's, og for at holde arbejdslønnen lavt, vil ingeniørarbejdspladserne måske gå til billige lande. Kan alt laves på éen ASIC, så vil spares plads, strømforbrug, måske penge, og der kan opnås en vis beskyttelse af ens produkt. Idag er ASIC's dog lidt pebrede at få fremstillet. Og det koster at udvikle dem. Det sidste kan afhjælpes, ved hjælp af bedre software. Man kan nemt få udviklingsomkostningerne ned, til at være det samme, eller mindre, end det der koster at udvikle konstruktionen på anden måde. Billig fremstilling af prototyper, eller chips i mindre antal, er måske også muligt. Det vil dog kræve at producenterne satser på, at udvikle nye metoder, således man får ASIC's ud, alene udfra de filer som kunden sender, og stort set uberørt af menneskehånd. Som eksempel stod en historie her på ing.dk, hvor en virksomhed ønskede at lave et apparat, der kunne lave 10.000 chips samtidigt, ved hjælp af elektronstrålescanning. Elektronstrålen styres af en datastrøm, som i princippet kan styres individuelt, og det vil ikke koste ekstra, at fremstille en enkelt chip, eller at fremstille chips til kunder. Kun det, at overføre dataene til harddisk, og at have en harddisk størrelse der er tilstrækkeligt, til at gemme kundernes oplysninger, vil være fordyrende. Det er minimalt.

Hvis producenterne laver det nemmere, og billigere, at få fremstillet ASIC's, så tror jeg på, at det har en fremtid. Og måske kan det erstatte alle andre typer chips. Man vil direkte kunne sætte producentens færdigudviklede moduler sammen på en ASIC; i stedet for på en print, simulere det, og få chipen sendt i enkelt eksemplarer, uden det koster meget. Det vil muliggøre, at ASIC's stort set erstatter alt andet. Men det vil kræve en ændring af produktionsmetoden.

Skal man alligevel vejen til elektronstrålescanning, og styre strålen individuelt, for at lave fremtidens chips - så tror jeg at den type "prototype ASIC's" er fremtiden.

Idag er tiden gået bort fra ASIC's. Store FPGA'er har overtaget det meste af markedet. Og ASIC's betaler sig kun, ved super stor produktion, og hvor der er helt specielle forhold, f.eks. store krav til lavt strømforbrug og lille størrelse, eller andre ekstremer. Derimod, så tror jeg, at vi vil se en større udvikling af standard kredse, som kan løse specielle problemer. De vil være fint til f.eks. oscilloskoper, og andre typer signalbehandling. Ved dyre produkter, kan det måske også betale sig, at lave en udvikling til kun produktet, og få lavet ASIC's til formålet. Årsagen er ikke at det teknisk er optimalt, men at virksomhedens teknologi beskyttes bedst, i de første par år, på den måde.

  • 0
  • 0