Schwerpunkte

Die Wirtschaftlichkeit von ASICs

Ab wann rechnet sich ein kundenspezifischer SoC?

09. Januar 2020, 10:56 Uhr   |  Von Ian Lankshear


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Praxisbeispiel IoT in der Medizin

Beispiel 2: ASIC für ein medizinisches IoT-Telemetriesystem

Wie erwähnt, sind die niedrigeren Kosten allein nicht der einzige Grund, um einen ASIC zu entwickeln. Häufig entsprechen die Stromaufnahme oder der Funktionsumfang von Standardbauteilen nicht den Anforderungen des Systems.

Im zweiten Beispiel handelt es sich um ein Unternehmen für Medizinprodukte, das sich an EnSilica wendete. Dort sollte ein neues IoT-System für das Gesundheitswesen entwickelt werden, um EKG, Herzfrequenz, Atemfrequenz und Körpertemperatur kontinuierlich zu überwachen. Diese Daten zur Überwachung der Patienten sollen in Echtzeit an den Server über eine Distanz von >50 m gesendet werden.

Mit einer kleinen Batterie soll das System mindestens fünf Tage lang kontinuierlich betrieben werden können – und zwar auf eine Weise, die die Zulassung in den USA gemäß FDA 510k (US Medical Device Safety Certification) ermöglicht. Im ASIC mussten daher eine Sensorschnittstelle, ein Funk-Transceiver für stromsparende Funkstandards – in diesem Fall Bluetooth LE –, ein Energiemanagement, ein Mikroprozessor und ein Flash-Speicher auf der Basis eines 65-nm-Prozesses integriert werden. Dabei war eine geringe Leistungsaufnahme für den Erfolg des geplanten Produkts entscheidend.

Die Kosten waren jedoch immer noch ein wesentlicher Faktor bei der Entscheidung. Das tragbare Gerät musste ein Einwegsystem sein, um eine aufwendige Sterilisation zu vermeiden, die zum Schutz vor der Übertragung ansteckender Krankheiten erforderlich wäre. Daher sollte das Gerät zu einem entsprechend niedrigem Preis erwerbbar sein.

ASIC oder Standardbauteile? Nicht immer ist die Wirtschaftlichkeit alleiniges Kriterium für den Einsatz eines ASICs
© EnSilica

Bild 5. ASIC oder Standardbauteile? Nicht immer ist die Wirtschaftlichkeit alleiniges Kriterium für den Einsatz eines ASICs. Für den ASIC im geplanten IoT-System für die Gesundheitsüberwachung sprechen seine niedrige Stromaufnahme und die niedrigen Stückkosten – auch wenn die Rentabilitätsschwelle mit 1 Mio. Geräten hoch liegt.

Die Stromaufnahme der Schaltung aus Standardbauteilen würde aber nicht nur das zulässige Strombudget überschreiten, sondern die diskreten Bauelemente hätten zusammen 7,56 US-Dollar pro Einheit gekostet, gegenüber den einmaligen ASIC-Entwicklungskosten von 5,3 Mio. US-Dollar und einem Stückpreis von 2,30 US-Dollar für den ASIC.

Basierend auf diesen Zahlen müsste der Hersteller des medizinischen Telemetriesystems 1 Mio. Einheiten verkaufen, um die Gewinnschwelle gegenüber der Version mit Standardbauelementen zu erreichen (Bild 5). Umgekehrt hätten bei einem Einsatz von Standardbauteilen sowohl die hohe Stromaufnahme als auch die hohen Stückkosten zu einem Ende dieses Entwicklungsprojekts geführt.

Wie lässt sich der RoI verbessern?

Wie die beiden Beispiele zeigen, ist die Entwicklung eines kundenspezifischen ASICs nicht mehr nur den größten Unternehmen vorbehalten, sondern wird insbesondere auch für IoT-Geräte, die oft einfach, klein, stromsparend und häufig kostengünstig sein müssen, eingesetzt. Ein ASIC-Ansatz ist oft die kostengünstigste Option und erleichtert die spätere Erhöhung der Produktionsrate.

Unabhängig davon, ob im eigenen Haus entwickelt wird oder ein Dienstleister für kundenspezifische ASICs beauftragt wird, gibt es drei wichtige Regeln, mit denen die einmaligen Entwicklungskosten gesenkt und der RoI erhöht werden können.

Zweimal messen, einmal schneiden

Ein einfacher IoT-Sensor zur Fernüberwachung hat andere Anforderungen als ein Endgerät mit Mikroprozessor. Es kommt darauf an, den Markt genau zu kennen, zu wissen, was verfügbar ist und welchen einzigartigen Funktionsumfang die Kunden erwarten bzw. wünschen. Eine gute Spezifikation ist entscheidend für den Erfolg. Daher gilt hier eine Weisheit aus dem Baugewerbe: Zweimal messen, einmal schneiden. Also, alles gut planen. Anderenfalls wird ein kundenspezifischer ASIC entwickelt, dem Funktionen fehlen – oder einer, der überdimensioniert ist. In beiden Fällen gehen die Vorteile gegenüber Standardbauteilen verloren.

Das Rad nicht neu erfinden

So wie ausgereifte Halbleiterfertigungsprozesse die Kosten für den Maskensatz erheblich verringern, lassen sich mit bewährten IP-Blöcken, z.B. von Arm, kundenspezifische SoCs viel schneller entwickeln. Das Risiko, es im ersten Anlauf falsch zu machen, sinkt.

Software wiederverwenden

Die Software-Entwicklung wirkt sich auf die einmaligen Entwicklungskosten des Projekts und auf die Markteinführungszeit aus. Die Entwicklung von Werkzeugen und Software ist wahrscheinlich die größte Investition, die für ein Projekt getätigt wird. Die Wiederverwendung bestehender Programme und Software-Bibliotheken trägt erheblich dazu bei, die Kosten eines neuen Projekts niedrig zu halten und das Produkt schneller auf den Markt zu bringen.

Es gilt also auch sicherzustellen, dass Software in zukünftigen Entwicklungen wiederverwendet werden kann – egal ob auf Basis eines neuen ASICs oder handelsüblicher ICs.

Eine Möglichkeit dies umzusetzen ist die Verwendung von IP-Blöcken, z.B. von Arm, was erheblich dazu beitragen kann die Entwicklungszeit zu verkürzen. So sind beispielsweise die Prozessoren Cortex-M0 [4] und Cortex-M3 [5] über das DesignStart-Programm von Arm [6] lizenzfrei erhältlich. Dort sind auch lizenzierbare IP-Blöcke von vielen Drittanbietern erhältlich, z.B. für Standardperipherie wie I2C und SPI, Schnittstellen für USB, PCIe-Controller und PHYs, einschließlich Funktechniken wie Bluetooth LE und WiFi.

Literatur

[1] MSV, J.: How An Acquisition Made By Amazon In 2016 Became Company‘s Secret Sauce. Forbes, 10.3.2019, www.forbes.com/sites/janakirammsv/2019/03/10/how-an-acquisition-made-by-amazon-in-2016-became-companys-secret-sauce/%20-%202cf771c42f67

[2] Williams, N. und Miller, J.: Asic design doesn’t need to be a rich man’s game. Electronics Weekly.com, 2.2.2016, www.electronicsweekly.com/news/asic-design-doesnt-need-to-be-a-rich-mans-game-2016-02

[3] Logic Technology. TSMC, www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/logic.htm

[4] CPU Cortex-M0, Tiny, 32-bit Processor. Arm, www.arm.com/products/silicon-ip-cpu/cortex-m/cortex-m0

[5] CPU Cortex-M3, General-Purpose, Deterministic 32-Bit Performance. Arm, www.arm.com/products/silicon-ip-cpu/cortex-m/cortex-m3

[6] Arm DesignStart, Kick-off Your Design Instantly. Arm, www.arm.com/resources/designstart

Der Autor

Ian-Lankshear von EnSilica
© EnSilica

Ian Lankshear von EnSilica

Ian Lankshear

ist Geschäftsführer und Mitbegründer von EnSilica, einem IC-Entwicklungsdienstleister, der sich auf kundenspezifische ASIC-Entwicklungen sowie Liefer- und Entwicklungsdienstleistungen konzentriert. Er studierte Elektrotechnik an der Universität von Portsmouth.

ian.lankshear@ensilica.com

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2. Praxisbeispiel IoT in der Medizin

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