Custom vs. Off the Shelf – Auswahlkriterien bei der Wahl des FPGA-Systems

Autor / Redakteur: Philipp Ampletzer * / Sebastian Gerstl

Speziell im Bereich FPGA-basiertes ASIC-Prototyping sind OTS-Lösungen (Of-The-Shelf-Lösungen) sehr verbreitet. Dennoch wird selbst in diesem Markt mehr als die Hälfte des Marktvolumens durch eigene, z.T. selbst entwickelte, FPGA-Systeme/-Boards abgedeckt. Ob nun in diesem Sektor, oder in der Forschung oder in der Medizintechnik: Wann rechnet es sich, zu einer eigens angepassten Lösung zu greifen?

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FPGA-basiertes ASIC-Prototypingsystem:
FPGA-basiertes ASIC-Prototypingsystem:
(Bild: Pro Design)

Bild 1: Der Auswahl-/Entscheidungsprozess zeigt die wesentlichen Schritte auf dem Weg zum besten geeigneten FPGA-System.
Bild 1: Der Auswahl-/Entscheidungsprozess zeigt die wesentlichen Schritte auf dem Weg zum besten geeigneten FPGA-System.
(Bild: Pro Design)

Im folgenden Artikel werden die wichtigsten Schritte entlang des Auswahl-/Entscheidungsprozesses für das am besten geeignete FPGA-System erklärt und mit realen Beispielen verdeutlicht. Neben der klassischen Make-or-Buy-Entscheidung geht es hierbei vor allem um die Fragen, was es bei der Auswahl eines bereits am Markt erhältlichen FPGA-Systems zu berücksichtigen gibt und welche Entscheidungskriterien bei der Entscheidung zwischen Custom-Board und Of-The-Shelf-Lösung zu beachten sind.

Zunächst ist es wichtig eine Spezifikation bzw. Anforderungsliste (Lastenheft) für das gewünschte FPGA-System zu erstellen. Basierend auf diesem Lastenheft stellt sich dann die Frage, ob es die gewünschte Lösung bereits gibt oder ob diese erst entwickelt werden muss. Ein schneller Blick auf die gängigen Boards und Kits der Hardwareanbieter (wie Xilinx oder Intel PSG) kann hier bereits einen ordentlichen Überblick verschaffen.

Bild 2: PRO DESIGN’s proFPGA-System basiert auf einem modularen Baukastenprinzip bei dem sich der Kunde sein FPGA-System so zusammenstellen kann, wie es sein Projekt erfordert.
Bild 2: PRO DESIGN’s proFPGA-System basiert auf einem modularen Baukastenprinzip bei dem sich der Kunde sein FPGA-System so zusammenstellen kann, wie es sein Projekt erfordert.
(Bild: Pro Design)

Auch Lösungsanbieter halten bereits eine große Palette vorgefertigter Lösungen parat. Es gibt dabei nicht nur fest definierte Boards mit bestimmten FPGAs, festen Schnittstellen und fixen Verbindungsarchitekturen, sondern auch modulare Baukastensysteme, bei denen sich der Kunde sein FPGA-System so zusammenstellen kann, wie er es braucht und sein Projekt nicht in eine bestimmte Plattform zwängen muss. Bei proFPGA ist es beispielsweise so, dass der Kunde zwischen verschiedenen Motherboards mit Steckplätzen für 1, bis zu 2 oder bis zu 4 FPGAs wählen kann. Um noch größere Systeme zu realisieren können zudem mehrere solcher Motherboards miteinander verbunden werden. Auf diese Motherboards werden dann die benötigten FPGAs in Form von Single-Chip-Modulen gesteckt. Der Vorteil besteht darin, dass – je nach Anforderungen – verschiedene FPGAs miteinander kombiniert werden können, so z.B. FPGAs mit großer Logikkapazität und FPGAs mit integrierten ARM-Prozessoren. Schnittstellen werden anschließend über Extension-Boards realisiert.

Angenommen es gibt also fertige FPGA-Systeme, welche Ihre Anforderungen (weitgehend) erfüllen, so gilt es zunächst eine sinnvolle Vorauswahl zu treffen. Erfahrungsgemäß ermöglichen ca. 3 Anbieter einen aussagekräftigen Vergleich bei vertretbarem Aufwand. Mit diesen vorausgewählten Anbietern sollten technische Diskussionen geführt werden (sofern möglich), um die technische Leistungsfähigkeit der jeweiligen Lösung genau zu verstehen. Anschließend sollten Angebote eingeholt werden, um die Lösungen zu vergleichen.

Preis-Leistungs-Vergleich der möglichen Lösungen

Bild 3: Vergleich von OTS-Lösungen anhand einer Nutzwertanalyse.
Bild 3: Vergleich von OTS-Lösungen anhand einer Nutzwertanalyse.
(Bild: Pro Design)

Der Vergleich der Lösungen wird sinnvollerweise anhand einer Nutzwertanalyse durchgeführt. Dabei werden die Auswahlkriterien festgelegt und gewichtet, und zwar so, dass alle Kriterien zusammen 100% ergeben. Anschließend werden Mindestnoten bzw. KO-Kriterien für die jeweiligen Anforderungen festgelegt. Danach werden Noten vergeben, z.B. von 1 (ungenügend) bis 5 (sehr gut). Schließlich werden die erreichten Punkte addiert und die Ergebnisse verglichen. Hat ein Anbieter eines der KO-Kriterien nicht erfüllt, so fällt dieser raus. Der Anbieter mit dem besten Punkteschnitt gewinnt.

Bild 4: In dieser Graphik werden Kosten und Zeiten einer Custom-Lösung mit einer proFPGA-Lösung (OTS) miteinander verglichen. Im vorliegenden Fall handelt es sich um ein Single-FPGA-Board mit einem XC7Z045-FPGA und diversen Schnittstellen für einen Motorprüfstand.
Bild 4: In dieser Graphik werden Kosten und Zeiten einer Custom-Lösung mit einer proFPGA-Lösung (OTS) miteinander verglichen. Im vorliegenden Fall handelt es sich um ein Single-FPGA-Board mit einem XC7Z045-FPGA und diversen Schnittstellen für einen Motorprüfstand.
(Bild: Pro Design)

Auch wenn es die gewünschte Lösung schon gibt und man das Rad nicht neu erfinden möchte, stellt sich dennoch die Frage, ob man nicht eine noch günstigere Lösung bekommt. Dabei geht es fast immer um die Break-Even-Menge, d.h. ab welcher Menge eine Custom-Lösung günstiger wird als eine OTS-Lösung. Erfahrungsgemäß liegt die Break-Even-Menge bei ca. 30 Boards. Genauso wichtig, wenn nicht gar wichtiger als der Kostenfaktor ist der Zeitfaktor und das damit verbundene Risiko. Je früher man mit einem Produkt am Markt ist, desto größere Gewinne kann man erzielen und desto mehr Marktanteile gewinnen. Eine OTS-Lösung bietet fast immer einen Zeitvorteil von einem halben Jahr und mehr.

Sofern man zu dem Entschluss kommt, dass eine Custom-Lösung durchaus interessant ist, muss man sich zunächst hinterfragen, ob man die Custom-Lösung selbst machen kann und auch will. Das ist dann abhängig davon, welche Strategie das Unternehmen verfolgt, ob das erforderliche Know-How und die erforderlichen Ressourcen (auch für spätere Produktaktualisierungen) vorhanden sind.

Angenommen Sie sind sich nicht sicher oder aber wollen die Entwicklung des Custom-Boards auf keinen Fall selbst machen, dann geht es darum mögliche Anbieter zu identifizieren, die den Job übernehmen können. Auch hier wäre wiederum eine Vorauswahl von ca. 3 Anbietern sinnvoll. Mit diesen müssen Sie anschließend technische Diskussionen führen, um herauszufinden, ob diese in der Lage sind das Projekt zuverlässig umzusetzen und ob Sie mit dem jeweiligen Anbieter gut zusammenarbeiten können. Hier ist zu empfehlen den Anbieter vor Ort zu besuchen, um einen besseren Eindruck zu bekommen. Nachdem Sie technische Diskussionen geführt haben, sollten Sie die entsprechenden Angebote einholen und vergleichen. Dies machen Sie am besten wieder mit einer Nutzwertanalyse wie auch schon beim Vergleich der OTS-Lösungen.

Wenn Sie diese durchgeführt haben, dann stehen Sie vor der Entscheidung, die insgesamt beste Lösung auszuwählen. Dabei müssen Sie zunächst entscheiden, ob Sie das Custom-Board selbst entwickeln wollen (sofern Sie das vorher nicht schon ausgeschlossen haben) oder ob Sie dessen Entwicklung (beim besten Anbieter) extern vergeben wollen. Diese Entscheidung können Sie ebenfalls wieder mit einer Nutzwertanalyse machen. Allerdings sollten Sie hier etwas anders vorgehen.

Wie vorhin zuvor Sie wieder die Auswahlkriterien fest und gewichten diese. Anschließend vergeben Sie jedoch keine Noten, sondern verteilen Punkte, z.B. können Sie pro Kriterium insgesamt 5 Punkte vergeben. Diese müssen Sie nicht zwingend einer Seite geben, sondern Sie können diese auch aufteilen.

Bild 5: Beispiel für Nutzwertanalyse zur Entscheidung zwischen Custom-Make und Custom-Buy.
Bild 5: Beispiel für Nutzwertanalyse zur Entscheidung zwischen Custom-Make und Custom-Buy.
(Bild: Pro Design)

Make or buy – Machen (lassen) oder fertig kaufen?

Zum Thema "Make or Buy" wurde bereits viel geschrieben und ist in der gängigen Fachliteratur entsprechend viel nachzulesen. Speziell im Bezug auf das "Custom-Make vs. Custom-Buy" ist hinsichtlich der klassischen Auswahlkriterien an dieser Stelle dennoch einiges anzumerken, auf das man besonders achten sollte:

  • Kerngeschäft und Unternehmensstrategie: Wenn das zu entwickelnde Board im Zusammenhang mit dem eigenen Kerngeschäft steht, dann sollten Sie es eher selbst entwickeln, wenn es in anderem Zusammenhang steht, dann eher zukaufen
  • Bei wiederkehrenden und hohen Bedarfen machen Sie die Entwicklung lieber selbst, wenn es sich nur um einen einmaligen und geringen Bedarf handelt, dann ist eine externe Vergabe i.d.R. besser.
  • Wenn Sie genügend Ressourcen vorhanden haben (auch für spätere Produktaktualisierungen), dann wäre es naheliegend die Entwicklung selbst zu machen. Wenn Sie keine ausreichenden Ressourcen haben, dann kaufen Sie lieber zu.
  • Autonomie. Hier stellt sich die Frage, ob ein Know-How-Transfer an den Lieferanten notwendig und gewünscht ist, und ob Sie Ihr Know-How dabei schützen können.
  • Beim Lieferangebot geht es darum, ob entsprechend gute Angebote vorhanden sind. Wenn ja, dann ist eine Vergabe eher denkbar.
  • Qualitäts- und Terminrisiken müssen sorgfältig abgewogen werden. Die Fragen sind hier, ob der Lieferant die notwendige Kompetenz und die notwendigen Ressourcen hat und wie hoch das technische Risiko ist.
  • Mit Kapitalbedarf ist in diesem Fall gemeint, ob eine Eigenentwicklung zusätzliche Investitionen (über die eigentliche Entwicklungsarbeit hinaus) erfordert, z.B. in Entwicklungs-Tools oder Lizenzen.
  • Bei den Kosten geht es dann schließlich um den Vergleich der anfallenden Kosten für die Eigenentwicklung im Vergleich zur Vergabe. Hierbei müssen Sie jedoch auch bestehende Fixkosten für Personal, Einrichtung, Entwicklungs-Tools, etc. berücksichtigen.

Nachdem die Entscheidung Custom-Make oder Custom-Buy gefallen ist, geht es final um die Entscheidung Custom oder OTS. Dies machen Sie – raten Sie mal – wieder mit einer Nutzwertanalyse genauso wie bei der Entscheidung zwischen Custom-Make und Custom-Buy. Die wesentlichen Auswahlkriterien sind dabei die finanziellen Aspekte, die Verfügbarkeit, die technische Umsetzung sowie die Benutzerfreundlichkeit und der Support.

Abschließend ist noch darauf hinzuweisen, dass der Einsatz von Eval-Boards für viele Entwickler mittlerweile selbstverständlich ist. Dadurch kann man viel Zeit gewinnen (Time-to-Market), da man mit dem FPGA-Design praktisch sofort starten kann ohne auf das Custom-Board warten zu müssen. Zudem bietet ein Eval-Board die Möglichkeit das Konzept zu überprüfen und die benötigten FPGA-Ressourcen zu ermitteln. Dies führt dazu, dass man das Custom-Board später besser auslegen und oft sogar eine Redesign-Schleife überspringen kann. Ein optimiertes und nicht überdimensioniertes Custom-Board ermöglicht später in der Serienfertigung zudem eine Kostenreduktion.

Allerdings gibt es nicht für alle Anwendungen passende Eval-Boards. Genau aus diesem Grund liegt es uns am Herzen darauf aufmerksam zu machen und zu vermitteln, dass genau für solche Fälle modulare OTS-Lösungen und im Speziellen unser proFPGA-System – insbesondere hinsichtlich Time-to-Market, Proof-of-Concept und Kostenreduzierung – einen immensen Vorteil für den Kunden haben.

* Philipp Ampletzer ist Director Sales & Business Development bei PRO DESIGN.

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