Die Wirtschaftlichkeit von ASICs Ab wann rechnet sich ein kundenspezifischer SoC?

Entwicklung von ASICs
Kosten für die Entwicklung von ASICs.

Die Entwicklung von ASICs ist teuer und rechnet sich nur bei sehr hohen Stückzahlen. Ein Vorurteil, das allenfalls für die neuesten Halbleiterprozesse gilt. Wer größere Halbleiterstrukturen nutzt, kann dagegen viel Geld sparen.

Es wurde in jüngster Zeit viel über den zunehmenden Einsatz kundenspezifischer ASICs bei den großen Firmen im Silicon Valley berichtet, die ICs für künstliche Intelligenz (KI) und Cloud-Computing-Dienste entwickelt haben. Im April stellte Tesla seine ASICs für selbstfahrende Fahrzeuge vor. Im Februar war es Facebook – und davor schon Amazon und Google.

Die Übernahme von Annapurna Labs durch Amazon im Jahr 2015 ermöglicht es Amazon, ASICs zu entwickeln, auf denen seine Software EC2 (Elastic Compute Cloud) schneller und kostengünstiger läuft. Die Übernahme wurde von Forbes [1] als eine der erfolgreichsten und strategischsten Akquisitionen für Amazon bezeichnet, die Amazon Web Services einen Vorteil gegenüber seinen Erzrivalen Microsoft und Google verschafft. Amazon hat Annapurna für 350 Mio. US-Dollar gekauft.

Nach Aussage von Mentor Graphics [2] belaufen sich die hohen Entwicklungskosten für einen einzelnen Maskensatz auf einen achtstelligen Betrag, also einige zehn Mio. US-Dollar – sofern in modernster Halbleiterprozesstechnik gefertigt wird. Diese Zahlenwerte gelten allerdings nur für hohe Stückzahlen und hochwertige Konsumgeräte, wie Smartphones, die auf dem neuesten Stand der Technik sein müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Sie sind bei weitem nicht die Norm.

Für viele Anwendungen, auch für das Internet der Dinge (IoT), kann sich die Entwicklung eines kundenspezifischen ASICs günstiger erweisen als der Einsatz von Standardbauteilen. Die Rendite (RoI, Return on Investment) muss jedoch sorgfältig berechnet werden, und es besteht Klärungsbedarf mit den Lieferanten, um sicherzustellen, dass ein Standard-IC, das allen Anforderungen entspricht, nicht schon zur Verfügung steht.

Im Folgenden werden in zwei Fallstudien die Kosten und die Gewinnschwelle (Break-Even) betrachtet, um die Frage zu beantworten, ab wann ein kundenspezifischer ASIC rentabel wird, und auf was es bei der Spezifizierung eines solchen Bausteins ankommt.

Nutzen des Ansatzes »Mehr-als-Moore«

Die zuvor erwähnten Anwendungsbeispiele erfordern ASICs, die mit den modernsten Prozesstechniken gefertigt werden, die an der Spitze von Moore‘s Law stehen. Bei TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) [3] entspricht dies den 7-nm-Prozessen für Logik-ICs – mit 5-nm-Prozessen noch in diesem Jahr – und 22-nm-Prozessen für HF-ICs (Bild 1).

Bei diesen Lithografien können die Maskenkosten dazu führen, dass die RoI-Kalkulation in die falsche Richtung geht. Aber für Anwendungen wie z.B. IoT-Geräte oder Automobilelektronik, bei denen die Stromaufnahme, die Standards für die Funkkommunikation oder die Integration eines MEMS-Sensors wesentlich wichtiger sind als die Verarbeitungsgeschwindigkeit, ermöglichen ausgereifte »Mehr-als-Moore«-CMOS-Fertigungstechniken eine wesentlich kostengünstigere SoC-Produktion.

Zur Verdeutlichung: Die Kosten für einen CMOS-Produktionsmaskensatz liegen in der Größenordnung von 1,5 Mio. US-Dollar bei 28 nm; 0,8 Mio. US-Dollar bei 40 nm; 0,5 Mio. US-Dollar bei 55/65 nm und sinken für 180 nm sogar auf unter 100.000 US-Dollar (Bild 2).

Diese Werte nehmen mit zunehmender Reife des Fertigungsprozesses weiter ab. Ein 28-nm-Maskensatz ist heute nur halb so teuer wie zum Zeitpunkt der Einführung. Auf der gleichen Basis kostet ein 55/65-nm-Maskensatz heute ungefähr ein Drittel.

Der Maskensatz ist nur für einen relativ kleinen Teil der gesamten einmaligen Entwicklungskosten (NRE, Non-Recurring Engineering Costs) für einen ASIC verantwortlich. Die Lizenzierungs-, Entwicklungs- und Qualifizierungskosten können ein Vielfaches – bis zum zehnfachen – der Maskensatzkosten betragen. Entwickler können also die »Mehr-als-Moore«-Techniken nutzen, um kostengünstiger kleinere ICs zu entwerfen, die schwierig zu kopieren sind, mehr Funktionen bieten und effektiver arbeiten.

Ab welchem Punkt ist es sinnvoll, einen ASIC zu entwickeln?

Natürlich ist der Herstellungsprozess nicht die einzige Kostenbelastung bei der ASIC-Entwicklung. Die Kosten allein sind auch nicht der einzige Grund, sich für einen ASIC anstelle von Standardbauteilen zu entscheiden. Das Budget muss aber eingehalten werden.

Als Faustregel sollte ein ASIC gegenüber Standardbauelementen in Betracht gezogen werden, wenn:

  • ein kleineres, effizienteres und schwerer nachzuahmendes Gerät gewünscht wird
  • die Ausgaben für elektronische Bauelemente je Produktlinie mehr als 2 Mio. US-Dollar betragen

Die folgenden Beispiele erläutern die Kosten eines ASICs im Vergleich zu Standardbauteilen – sowohl für bestehende Systeme, deren Verkaufszahlen bereits bekannt sind, als auch für neue Produkte. Beides sind anonymisierte Beispiele aus der Praxis von Ende 2016 und zeigen die ungefähren Kosten für die Entwicklung des ASICs und den Punkt, an dem der AISIC kostengünstiger wird als der Einsatz von Standardbauelementen.

Beispiel 1: Ersatz für µC und Analog-ICs in einer Automobilelektronik

EnSilica wurde gebeten, den Mikrocontroller – Kosten: 2,80 US-Dollar – und mehrere diskrete analoge Bauelemente – Gesamtkosten 2,69 US-Dollar – durch einen Automobil-qualifizierten ASIC zu ersetzen. Dieser sollte neben einem CAN/LIN-Transceiver, einem Beschleunigungssensor sowie Kleinbauteilen auf einer Platine eingesetzt werden (Bild 3).

Der Hersteller lieferte zwischen 40.000 und 45.000 Einheiten pro Monat aus. Die einmaligen Entwicklungskosten für das ASIC und den Maskensatz betrugen 1 Mio. US-Dollar für den 130-nm-ASIC mit Flash, Analog-Metallisierungen und Dickoxid. Hinzu kommen die Kosten für die Automobil-Qualifizierung nach AEC-Q100 in Höhe von 392.000 US-Dollar. Der ASIC-Stückpreis betrug 1,46 US-Dollar.

Basierend auf der niedrigeren Zahl von 40.000 Einheiten pro Monat wird der RoI in weniger als neun Monaten erreicht und ein 12-facher RoI nach einer Maskenlaufzeit von neun Jahren (Bild 4). Selbst mit einem halb so großen Umsatz, würde der RoI nach weniger als 18 Monaten erreicht und nach neun Jahren ein 6-facher RoI.