EN
روابط سريعة
يبدأ إنتاج رقائق الدوائر المتكاملة المخصصة بشكل صحيح بفهم دقيق لما يجب بناؤه. يعمل فريق الهندسة عن كثب مع مطوري المنتجات لتحديد أمور مثل أهداف استهلاك الطاقة، والتي تحتاج عادةً إلى أن تبقى أقل من واط واحد في معظم تطبيقات إنترنت الأشياء. كما يتم تحديد حدود التبدد الحراري ومتطلبات الأداء الخاصة بكل تطبيق. على سبيل المثال، تتطلب الأنظمة المستخدمة في السيارات أحيانًا أزمنة معالجة إشارات أقل من 10 نانوثانية. وقد أظهر تحليل حديث لأحدث اتجاهات تطوير الرقائق المخصصة (ASIC) لعام 2023 أمرًا مثيرًا للاهتمام: عندما يمتلك المهندسون مواصفات واضحة ومفصلة منذ البداية، فإن نحو أربعة من كل خمسة مشاريع تنجح في اجتياز مرحلة الاختبار الأولية بنجاح. ولكن إذا تم تخطي هذه الخطوة؟ ففي هذه الحالة تنخفض الفرص بشكل كبير إلى حوالي ثلث المشاريع فقط التي تحقق النجاح من المحاولة الأولى.
غالبًا ما تستخدم الفرق الهندسية نُهُج التصميم الوحداتي عند تجميع النوى المعالجة مثل RISC-V أو ARM، إلى جانب أنظمة الذاكرة ووصلات الإدخال/الإخراج التي تتناسب مع متطلبات المنتج النهائي. بالنسبة للشرائح المستخدمة في الأتمتة الصناعية، هناك عدة اعتبارات مهمة. فالسلامة هي الأولوية القصوى، لذا يدمج المصممون دوائر احتياطية تتوافق مع معايير ISO 13849. كما أن القدرة على معالجة الإشارات في الزمن الحقيقي تعد من الميزات الضرورية. وتحتاج هذه المكونات إلى العمل بموثوقية حتى في الظروف القصوى، بحيث تظل تعمل بشكل صحيح في درجات حرارة تتراوح من ناقص 40 درجة مئوية وحتى زائد 125 درجة مئوية دون أي فشل.
بمجرد التحقق من صحة المعمارية، ينتقل المهندسون إلى ترميز HDL، وتشغيل المحاكاة، وتحسين التصميم الفيزيائي باستخدام أدوات متنوعة منها Cadence Innovus. ويمكن أن يؤدي إجراء فحوصات التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) والتحليل الحراري في مرحلة مبكرة من العملية من خلال عدة تكرارات للنموذج الأولي إلى تقليل عمليات إعادة التصنيع المكلفة لاحقًا. تستغرق معظم المصانع المتخصصة حوالي 12 إلى 18 أسبوعًا لتوفير الشريحة السيليكونية الأولى، ولهذا السبب يظل التحقق الدقيق قبل عملية الإرسال النهائي أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة لجداول المشروع والتحكم في الميزانية.
وفقًا لتقرير الأنظمة المدمجة الأخير لعام 2024، يمكن للتقنيات مثل التدرج التكيفي للجهد بالتزامن مع إيقاف تشغيل الساعة أن تقلل من استهلاك التيار في حالة الخمول في عقد مستشعرات الإنترنت للأشياء (IoT) بنسبة تقارب 70 بالمئة. ويُنفذ المصممون الأذكياء الآن مجالات طاقة متعددة لفصل مكونات الحوسبة عالية التردد عن الأجزاء التي تحتاج إلى البقاء نشطة باستمرار. ويساعد هذا النهج حقًا في إطالة عمر البطارية في الأجهزة مثل التقنيات القابلة للارتداء الطبية ومعدات مراقبة البيئة، حيث يكون التشغيل على المدى الطويل أمرًا حيويًا. وبالنسبة لمُرسِلات بلوتوث منخفضة الطاقة (Bluetooth Low Energy) على وجه التحديد، فإن تعديل العتبات ديناميكيًا داخل تصميمات الدوائر المتكاملة لإدارة الطاقة (PMIC) يجعلها تدوم أطول بنحو 22٪ أثناء التشغيل، مع الحفاظ في الوقت نفسه على مسافات جيدة لتغطية الإشارة. وقد اعتمدت الصناعة تدريجيًا هذه الأساليب، إذ تبحث الشركات المصنعة عن سبل لتحسين الأداء دون المساس بالموثوقية.
عند تصميم الحِزَم والدوائر المرتبطة بها معًا، فإن جودة الإشارة تتحسن فعليًا لأننا نتمكن من أخذ العوامل التداخلية المزعجة للحِزَم بعين الاعتبار إلى جانب شبكات الإنهاء على الشريحة. وقد أظهرت بعض تصميمات الدوائر المتكاملة المخصصة التي تتضمن وسائط إدخال/إخراج مُطابَقة في المعاوقة تقليلًا كبيرًا في التداخل الكهرومغناطيسي. وجدت إحدى المعايير الصناعية الحديثة لعام 2023 أن هذه التصاميم المتخصصة قلّلت من التداخل الكهرومغناطيسي بنسبة حوالي 41٪ بالمقارنة مع البدائل القياسية الجاهزة. بالنسبة لتطبيقات تحكم المحركات الخاصة الدوائر المتكاملة ، تصبح إدارة الحرارة مهمة جدًا أيضًا. تساعد التخطيط الجيد للإدارة الحرارية في منع تكون تلك النقاط الساخنة المزعجة. ودعونا لا ننسى تلك المكثفات العازلة الصغيرة مكثفات إما أن يتم وضعها في المكان الصحيح تمامًا وفقًا لقواعد التصميم حتى تبقى الطاقة مستقرة حتى عند تغير الأحمال فجأة.
طور الباحثون نظام مراقبة الجلوكوز المستمر الذي يمكن أن يستمر حتى 18 شهرًا بشحنة واحدة بفضل عدة خيارات ذكية في التصميم. أولاً، نفذوا تقنيات تشغيل دون العتبة في دوائر الواجهة التناظرية، مما قلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة. ثانيًا، استخدموا عينة تحويل ترددي مؤقتة (Time Interleaved ADC) تعمل بالتزامن مع انفجارات الترددات الراديوية أثناء إرسال البيانات. وثالثًا، دمجوا تقنية جمع الطاقة الشمسية على الشريحة، والتي يمكنها توليد حوالي 15 ميكروواط حتى عند التعرض لظروف الإضاءة الداخلية العادية. وتُقدِّم الدائرة المتكاملة المخصصة بدقة 40 نانومتر نتائج ممتازة أيضًا - حيث تحقق دقة قياس تقارب 99.3 بالمئة بينما تستهلك فقط 3.2 ميكروأمبير لكل ميغاهيرتز. وهذا يمثل انخفاضًا يقارب الثلثين في استهلاك الطاقة مقارنة بالإصدارات السابقة من الأجهزة المماثلة.
عندما يتعلق الأمر بالأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة إنترنت الأشياء حيث تكون المساحة محدودة وتُعد إدارة الحرارة أمراً بالغ الأهمية، تصبح التقنيات المتقدمة في التصميم حاسمة للغاية. يتجه العديد من المهندسين حالياً إلى تقنيات مثل تكديس الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد (3DIC) جنباً إلى جنب مع تقنية الثقوب الصغرية (microvia)، لأنها تقلل من الحجم الكلي مع الحفاظ على إشارات نظيفة وقوية. أظهرت بعض الدراسات الحديثة لعام 2023 كيف أن وضع أعمدة النحاس بشكل استراتيجي داخل تصميمات النظام في الحزمة (System-in-Package) أحدث فرقاً كبيراً. ما هي النتائج؟ انخفاض المناطق الساخنة بنسبة حوالي 34٪ مقارنة بالتصاميم القياسية. رقم مثير للإعجاب جداً إذا ما تم النظر في مدى ضغط تركيب المكونات مع تقدم التكنولوجيا.
تشمل التقنيات الحيوية:
تشير توقعات الصناعة إلى أن 50٪ من تصميمات رقاقات الحوسبة عالية الأداء الجديدة ستعتمد هياكل متعددة الشرائح بحلول عام 2025، مدفوعةً بمتطلبات عرض النطاق الترددي لمُسرعات الذكاء الاصطناعي. ويؤثر هذا التحول على الإلكترونيات الاستهلاكية، حيث يجب على فرق التصميم موازنة وصلات الاتصال المتوافقة مع UCIe مقابل القيود الحرارية في الأجهزة ذات السماكة أقل من 7 مم.
يتضمن الاختيار بين كتل IP الخاصة بالطرف الثالث والملكية مفاضلات بين السرعة في طرح المنتج بالسوق والتباين في الأداء. فعلى سبيل المثال، تُسرّع كتل IP التجارية لواجهة PCIe 6.0 أو DDR5 عملية التطوير في وحدات التحكم للسيارات، في حين توفر وحدات تسريع الشبكات العصبية المخصصة عادةً كفاءة طاقة أفضل بعامل 2–3 في تطبيقات الذكاء الاصطناعي على الحافة.
كشف استبيان أُجري في عام 2024 على مطوري الرقاقات (SoC) عن الاتجاهات التالية:
| نهج الدمج | متوسط وقت التطوير | مرونة تحسين استهلاك الطاقة |
|---|---|---|
| IP الخاص بالطرف الثالث | 7.2 شهرًا | 38% |
| IP مخصص | 11.5 شهرًا | 81% |
تُظهر الدراسات الحديثة أن واجهات UCIe القياسية تقلل من مخاطر الدمج في التصاميم القائمة على الشريحة (chiplet) مع الحفاظ على الأداء. وفي رقاقات SoCs الخاصة بأتمتة المصانع، يتيح دمج وحدات تحكم تجارية في محركات المحركات مع وحدات أمان ملكية تحقيق الامتثال لمستوى ASIL-D ضمن نطاقات طاقة أقل من 2 واط.
تُعَالِج أدوات التصميم الإلكتروني المُساعَدة بالحاسوب (EDA) اليوم حوالي 70٪ من تلك المهام الرتيبة المتكررة أثناء عمليات المحاكاة والتحقق، مما يُسرّع بشكل كبير من تطوير الدوائر المتكاملة المخصصة. تتيح هذه المنصات للمهندسين اختبار مدى قدرة استقرار الطاقة عند دفعها إلى الحد الأقصى، وضبط مسارات الإشارة بدقة لضمان عملها بموثوقية في الظروف الواقعية. وفقًا لتقرير أدوات EDA لعام 2024 الصادر عن محللي القطاع، فإن الشركات التي تستخدم هذه الأنظمة المتكاملة تسجّل انخفاضًا بنسبة 43٪ تقريبًا في الأخطاء بعد التصنيع، وذلك بفضل ميزات التحقق من قواعد التصميم المدمجة وقدرات النمذجة الحرارية المحسّنة. وهذا أمر منطقي، إذ أن اكتشاف المشكلات مبكرًا يوفّر الوقت والمال على المدى الطويل.
يمكن أن تصل تكاليف أنظمة التصميم الإلكتروني الشاملة (EDA) إلى أكثر من نصف مليون دولار سنويًا لكل شركة، على الرغم من وجود خيارات وحدات نمطية الآن توفر قابلية توسع أفضل للشركات الصغيرة الناشئة. مع الترخيص القائم على الرموز المميزة (Token-based licensing)، يمكن للفرق الهندسية استخدام أدوات التركيب المتقدمة تلك عند الحاجة الفعلية إليها خلال مراحل مهمة مثل إعداد تخطيط الشريحة أو التعامل مع التأثيرات الطفيلية. وفقًا لبعض الأبحاث المنشورة العام الماضي، شهدت الشركات ذات الحجم المعتدل عائد استثمارها تقريبًا قبل ربع سنة تقريبًا عندما جمعت بين برامج التحقق المجانية من المشاريع مفتوحة المصدر وبرامج التخطيط المدفوعة من موردين راسخين. يبدو أن هذا النهج الهجين يعمل بشكل جيد حاليًا بالنسبة للعديد من الشركات التقنية النامية.
تشمل الاستراتيجيات الرئيسية لتقليل المخاطر في تطوير الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASIC):
تساعد هذه الطرق في تجنب إعادة التصنيع، التي قد تؤدي إلى تأخير موعد طرح المنتج في السوق من 14 إلى 22 أسبوعًا لكل مراجعة قناع.
يجد المطورون الجدد طرقًا للتحايل على تكاليف البدء المرتفعة التي كانت تتجاوز مليوني دولار من خلال استخدام مراكز تصميم خارجية وخدمات شحن النماذج الأولية. وتتولى الآن شركات متخصصة في الدوائر المتكاملة المخصصة (ASICs) كل شيء بدءًا من تحديد بنية الشريحة وحتى تسليم ملفات GDSII النهائية. كما فتحت العديد من المصانع أبوابها أمام اللاعبين الأصغر حجمًا، مما يمنحهم إمكانية الوصول إلى عمليات تصنيع متقدمة بدقة 12 نانومتر و16 نانومتر دون الحاجة إلى الالتزام بإنتاج كميات ضخمة في البداية. ما يعنيه ذلك بالنسبة للشركات الصغيرة هو قدرتها على قضاء الوقت في إنشاء شيء فريد لسوقها بدلًا من التورط في محاولة بناء بنية تحتية مكلفة من الصفر.
تُعَدّ الدوائر المتكاملة المخصصة حلاً لمجموعة متنوعة من الاحتياجات في الأنظمة الذكية الحديثة. فعلى سبيل المثال، في أجهزة إنترنت الأشياء الطرفية، يمكن للتصاميم العصبية أن تقلل متطلبات معالجة الذكاء الاصطناعي بنسبة تصل إلى نحو 80 بالمئة دون التأثير الكبير على السرعة، مع الحفاظ على أزمنة الاستجابة أقل من عشرة ملي ثانية. كما حققت صناعة السيارات تقدماً كبيراً أيضاً. فشرائح الأنظمة الخاصة بها تحتوي الآن على أكثر من خمسة عشر ميزة متقدمة للمساعدة على القيادة ضمن شريحة واحدة، ما يعني اكتشاف السيارات للأجسام بسرعة أكبر بنسبة 40 بالمئة تقريباً خلال مراحل اختبار تقنيات القيادة الذاتية. ولا ينبغي نسيان البيئات الصناعية أيضاً. فعندما يدمج المصنعون مستشعرات MEMS الصغيرة هذه مباشرة داخل رقاقاتهم المخصصة، فإنهم في الواقع يحسنون دقة الصيانة التنبؤية، خاصة عندما تكون المعدات تتعرض للاهتزاز المستمر. وتُظهر الاختبارات الواقعية تحسناً بنسبة ثلث في معدل الدقة تقريباً في هذه الظروف القاسية.
تُكافح الشركات المصنعة امتلاء السوق من خلال نشر وحدات نظام على رقاقة (SoCs) مُحسّنة رأسيًا مع مُسرعات خاصة بالتشفير، والتحكم في المحركات، والبروتوكولات اللاسلكية. تُظهر الاختبارات أن وحدات الضرب المصفوفي المخصصة تتفوق على وحدات معالجة الرسومات العامة بنسبة 5 مرات في إنتاجية الشبكات العصبية عند نقاط النهاية الخاصة بالذكاء الاصطناعي للإنترنت (AIoT).
تتيح النوى المُصمَّة للدقة المزدوجة (FP16) والتقنين التكيفي للجهد لأنظمة التصوير الطبي الكشف عن الأورام بسرعة أكبر بنسبة 30٪ دون المساس بدقة التشخيص. وتُحقق وحدات التحكم الصناعية في الوقت الفعلي التي تستخدم دوائر متكاملة مخصصة أزمنة استجابة تقل عن 2¼ ثانية لعمليات الإيقاف الحرجة من حيث السلامة، مما يعزز موثوقية النظام في التطبيقات الحيوية.