ASIC的经济性：定制SoC在什么情况下变得可行？

最近，媒体对硅谷最大的科技公司越来越多地使用定制ASIC进行了大量报道。这是创造尖端人工智能芯片和云计算服务努力的一部分。

今年4月，特斯拉报告了其自动驾驶汽车的ASIC。在2月份，它是Facebook。在此之前，还有亚马逊和谷歌。事实上，亚马逊在2015年收购了Annapurna Labs，这让亚马逊有能力创造出运行其EC2软件的ASIC，速度更快，成本更低，最近被福布斯(Forbes)引用为“亚马逊最成功和最具战略意义的收购之一，[使亚马逊网络服务]相对于其主要竞争对手微软(Microsoft)和谷歌(Google)具有优势。”

亚马逊以3.5亿美元收购了Annapurna。据报道，对于使用尖端硅工艺技术的应用，单个掩模组(有七个零)/设计成本高达数亿美元的轶事提到了巨额费用。

然而，这些数字仅限于此：需要最先进工艺才能保持竞争力的大容量、高价值消费产品(如智能手机)。他们在很大程度上不是常态。对于许多应用，即使是物联网，采用自定义ASIC路由可能比使用标准部件更划算。但是您需要仔细计算您的ROI，并与您现有的供应链沟通，以确保能够解决您所有问题的标准部件不在他们的路线图上。

在这里，我们看两个案例研究，它们概述了成本和盈亏平衡点，以问定制ASIC在什么时候变得可行？在指定一个时，您应该知道什么？

上述示例考察了需要最先进技术并处于摩尔定律前沿的应用程序。对于台积电来说，这相当于逻辑的7纳米制程(今年到期为5纳米)和射频的22纳米制程。在这些光刻工艺中，掩模成本可能会使您的ROI计算出错。

然而，对于物联网或汽车系统等实际应用(其中功耗、无线通信标准或MEMS传感器的集成远比处理速度更重要)，成熟的“超过摩尔”CMOS技术节点能够实现更具成本效益的SoC设计(图1)。

在此背景下，CMOS专用生产掩模组的成本在28 nm时为150万美元，40 nm时为80万美元，55/65 nm时为50万美元，180 nm时将降至10万美元以下(图2)。随着流程变得更加成熟，这些值将继续降低。与最初推出时相比，28 nm掩模组现在的成本是它的一半，在相同的基础上，55/65 nm掩模组的成本大约是成本的三分之一。

2.与引入该技术时相比，2018年0.18µm至28 nm的CMOS专用生产掩模的成本。

掩码集代表整个ASIC NRE中相对较小的一部分-IP许可成本、开发和鉴定成本可以是掩码集NRE的几倍(最低可达几十倍)。但是，通过使用成熟的“多摩尔”技术，系统开发人员可以更实惠地创建更小的设备，这些设备很难复制，包含更多功能，运行更高效。

当然，这一过程并不是设计ASIC的唯一成本问题。而且，正如我们已经谈到的，选择ASIC而不是现成组件的唯一原因不是(也不应该是)成本本身。但预算确实需要平衡。

作为合理的经验法则，在以下情况下，您应该考虑使用ASIC而不是现成的组件：

·你希望实现一种更小、更高效、更难模仿的设计。

因此，我们在这里看两个示例，它们概述了ASIC与标准组件的成本-对于现有系统(销售数据已经知道)和对于新产品的成本。

这两个都是2016年末匿名的现实世界的例子。它们显示了开发ASIC的大致成本，以及它们变得比现成组件更具成本效益的点。

作为汽车系统的一部分，Ensilica被要求将MCU(每台成本为2.80美元*)和多个分立模拟元件(总成本为每台2.69美元)替换为经汽车认证的ASIC。这将与CAN/LIN收发器、加速度计和PCB/杂物一起运行(图3)。

系统开发商每月出货量在40-45,000台之间，ASIC设计和掩模组的NRE开发成本为100万美元(具有闪存、模拟金属和厚氧化物的130 nm ASIC)，外加汽车资质AEC-Q100/产品化成本392,000美元。ASIC单价为1.46美元。

基于其4万台的较低价值，在不到9个月的时间内就达到了投资回报，经过9年的掩护寿命，投资回报达到了12倍(图4)。即使他们的销售额下降了一半，9年后这个数字也会变成18个月和6倍的投资回报率。

4.投资回报率不到9个月(A)。这些系统在九年的生产寿命(B)之后，可以看到13.2倍的投资回报率(ROI)。

如上所述，成本本身并不是采用ASIC方法的唯一原因。通常，现成组件的功耗或包括在其中的功能集不能满足系统的需求。

在本例中，我们看看一家医疗设备公司，该公司在开发新的医疗保健物联网系统以持续监测ECG、心率、呼吸频率和体温监测时与Ensilica接洽(图5)。它会将这些数据(>；50米)传回服务器进行实时监控，并使用一块小电池为系统持续供电至少5天。而且它必须以一种不会阻止FDA 510k(美国医疗器械安全认证)批准的方式做到这一点。

5.ASIC或现成组件-选择医疗监控物联网系统背后的经济性。

因此，ASIC需要使用65 nm工艺集成传感器接口、低功耗无线标准(在本例中为蓝牙LE)无线收发器、电源管理、微处理器和闪存，其中低功耗对产品的成功至关重要。

然而，成本仍然是决定的一个重要因素，可穿戴设备需要是一个一次性使用的系统，以防止任何疾病的传播，并相应地定价。不仅现成组件的功耗低于允许的功率预算，而且分立组件的总成本为每台7.56美元，而ASIC的NRE成本为530万美元，单价为2.30美元。

根据这些数字，OEM需要发货100万台才能实现收支平衡，而不是现成的路线。相反，使用现成的组件将意味着高功率和高单位成本都会扼杀产品。

正如上面的例子所显示的，开发定制ASIC不再是硅谷最大的公司的专利-甚至对于(实际上，特别是对于)物联网设备来说，这些设备通常需要简单、小巧、低功耗，而且往往需要低成本。ASIC方法通常是最具成本效益的选择，并且随着制造规模的扩大使其变得更容易。

无论您是在内部设计还是使用自定义ASIC开发人员，都可以使用以下三条黄金法则来降低NRE成本并提高ROI。

1.两次测量，一次切割：简单的远程物联网传感器对智能家电有不同的要求。准确地了解市场上有什么可用，以及客户期望/希望获得什么独特的功能/用户体验是至关重要的。借用建筑行业的一句话来说，良好的规范是成功的关键：测量两次，切割一次。把每件事都计划好。另一种选择是缺少功能的自定义ASIC，或者是过度指定的ASIC。在这两种情况下，相对于标准零件的优势都会消失。

2.不要重新发明轮子：就像使用成熟的工艺将显著降低掩模设置成本一样，使用成熟的IP块(如ARM的IP块)可以让您更快地设计自定义SoC。而且它大大降低了第一次做不对的风险。

3.重用您的软件：软件开发显著影响项目NRE和上市时间。事实上，工具和软件的开发可能是您将为该项目进行的最大投资。因此，重用现有的应用程序和软件库可以极大地帮助控制项目成本，加快上市时间。

将这一点纳入ASIC设计中，并确保未来的设计(无论是基于新的ASIC还是基于现成的硬件)能够重用和构建您现有的软件。

要做到这一点，一种方法是通过使用可许可的IP-它将极大地降低风险和上市时间。例如，ARM Cortex-M0系列和Cortex-M3系列处理器可以通过该公司的设计启动计划免费购买。同样，许多供应商也提供标准外设(如I2C和SPI)、USB、PCIe控制器和PHY接口以及蓝牙LE和Wi-Fi等无线设备的许可IP。