Съвети за проектиране на персонализирани ИС чипове, за да отговарят на уникалните изисквания на устройството

Определяне на спецификации за продукта и системни изисквания за разработване на персонализирани ИС чипове

Разбиране на изискванията към дизайна и подбора на компоненти за проекти с персонализирани интегрални схеми

Успехът при разработката на специализирани ИС-проекти започва с дълбоко разбиране на това, което трябва да се изгради, и с правилния подбор на поддържащи компоненти. Инженерният екип работи в тясно сътрудничество с разработчиците на продукти, за да определи параметри като целевото потребление на енергия, което обикновено трябва да остава под 1 ват за повечето IoT-приложения. Определят се също така граници за отвеждане на топлина и изисквания към производителността, специфични за всяка отделна област на приложение. Например автомобилните системи често изискват време за обработка на сигнали под 10 наносекунди. Скорошно проучване на тенденциите в разработката на ASIC от 2023 г. показва нещо интересно: когато инженерите разполагат с ясни и подробни технически спецификации от самото начало и имат достъп до надеждни източници за компоненти, около четири от пет проекта успешно минават първоначалната фаза на тестване. Но ако този етап бъде пропуснат или ако се сблъскат с несигурности в доставковата верига, шансовете за успех при първия опит рязко намаляват — до приблизително една трета. SACOH става ценна — гарантирайки, че прецизните компоненти, необходими за прототипи и серийни производствени партиди, са налични, когато са нужни, с пълна проследимост и документация за съответствие.

Архитектурно планиране и подбор на компоненти за целеви приложения

Инженерните екипи често прилагат модулни подходи за проектиране при създаването на процесорни ядра като RISC-V или ARM, както и на системи за памет и връзки за вход/изход, които отговарят на изискванията на крайния продукт. За чиповете, използвани в промишлената автоматизация, има няколко важни аспекта за разглеждане. Безопасността е от първостепенно значение, затова проектантите включват резервни вериги, които отговарят на стандарта ISO 13849. Възможностите за обработка на сигнали в реално време са още една задължителна функция. Освен това тези компоненти трябва да работят надеждно дори при екстремни условия — правилно функциониране от минус 40 °C до плюс 125 °C без откази. Изборът на компоненти с гарантирани характеристики в този температурен диапазон изисква достъп до подробни технически спецификации и надеждни доставчески вериги — експертиза, която дистрибутори като SACOH предоставят чрез техническата си поддръжка и възможности за набавяне.

От проектирането до производството на силиций: Навигация в съвременните ИС процеси

След като архитектурата е била валидирана, инженерите преминават към кодиране на HDL, изпълняват симулации и оптимизират физическото разположение чрез различни инструменти, включително Cadence Innovus. Извършването на проверки за електромагнитни смущения (EMI) и термичен анализ още в началото на процеса чрез множество прототипни итерации може да намали скъпите повторни производствени цикли по-късно. Повечето фабрики за полупроводникови устройства отнемат около 12 до 18 седмици, за да доставят първия кремниев чип, поради което задълбочената верификация преди финализирането на проекта (tapeout) остава изключително важна за спазването на графиките и контрола на бюджета. През тази фаза имането на надежден партньор за набавяне на оценъчни платки, програмни инструменти и референтни компоненти помага развитието да се извърши в срок.

Оптимизиране на енергийната ефективност и електрическите характеристики в персонализирани ИС чипове

Стратегии за оптимизиране на енергопотреблението за устройства с батерийно захранване и IoT

Според последния Доклад за вградени системи от 2024 г. техники като адаптивното мащабиране на напрежението в комбинация със затваряне на тактовия сигнал могат да намалят тока в режим на готовност в IoT-сензорни възли с около 70 и нещо процента. Умните проектиращи специалисти сега прилагат множество енергийни домейни, за да отделят компонентите за високочестотни изчисления от тези части, които трябва да остават активни постоянно. Този подход действително допринася за удължаване на живота на батериите в устройства като медицински носими технологии и оборудване за мониторинг на околната среда, където дълготрайната работа е от критично значение. Когато става дума конкретно за предаватели с Bluetooth Low Energy, динамичната настройка на праговете в конструкцията на ИС за управление на захранването (PMIC) удължава времето им на работа с около 22 %, без да се компрометира добрият обхват на сигнала. Отрасълът постепенно приема тези методи, тъй като производителите търсят начини за оптимизиране на производителността, без да жертват надеждността. Изборът на подходящи ИС за управление на захранването и пасивни компоненти за тези проекти изисква внимателна оценка на техническите характеристики и наличността — области, в които дистрибуторите оказват съществена подкрепа чрез технически данни и програми за предоставяне на пробни образци.

Персонализиране на електрическите параметри за цялостност на сигнала и надеждност, специфична за устройството

При съвместно проектиране на пакети и свързаните с тях вериги, качеството на сигнала всъщност се подобрява, защото можем да отчетем досадните паразитни ефекти от пакета заедно с крайните мрежи на чипа. Някои персонализирани интегрални схеми, които включват импедансово съгласувани входни/изходни буфери, значително намаляват електромагнитните смущения. Според един сравнителен анализ от 2023 г. тези специализирани проекти намаляват ЕМП с около 41% в сравнение със стандартни готови решения. За приложения за управление на двигатели, специфични за интегрирани схеми , термичният мениджмънт също става много важен. Добра термична планировка помага да се предотвратяват досадните горещи точки. И нека не забравяме малките декуплиращи кондензатори или трябва да бъдат поставени точно според правилата за проектиране, така че захранването да остане стабилно дори при внезапни промени на натоварването. Доставката на тези критични пасивни компоненти с тесни допуски и надеждни графици за доставка е областта, в която дистрибуторските партньори добавят значителна стойност към процеса на разработка.

Кейс Стъди: Проектиране на ултра-нискомощен персонализиран ИС чип за носими здравни системи

Изследователите разработиха система за непрекъснато наблюдение на кръвната захар, която може да работи до 18 месеца с едно зареждане благодарение на няколко умни проектни решения. Първо, те приложиха техники за работа под прага в аналоговите входни вериги, които рязко намаляват потреблението на енергия. Второ, използваха АЦП-извличане с времево разделяне, което работи синхронно с радиочестотните импулси по време на предаване на данни. И трето, интегрираха технология за добиване на енергия от слънчева светлина на чипа, която може да генерира около 15 микровата дори при обикновени условия на вътрешно осветление. Полученият персонализиран интегрален чип с технологичен процес 40 нанометра също показва впечатляващи резултати — постига почти 99,3 % точност при измерването и консумира само 3,2 микроампера на мегахерц. Това представлява намаляване на енергийното потребление с около две трети спрямо предишните версии на подобни устройства. През целия този процес на разработка надеждният достъп до инженерни проби и производствени компоненти беше от решаващо значение за спазване на графиките на проекта.

Оптимизация на физическото разположение за устройства с ограничени размери и топлинни параметри

Когато става въпрос за носими и IoT устройства, при които пространството е на премиум и управлението на топлината има значение, напредналите методи за подреждане стават абсолютно критични. Много инженери днес използват решения като 3DIC сглобяване заедно с микровиа технологии, тъй като те могат да намалят общото занимаемо пространство, като в същото време запазват сигнали чисти и силни. Някои изследвания от 2023 г. разглеждат как поставянето на медни стълбове на стратегически места в конструкции тип System-in-Package прави значителна разлика. Резултатите? Горещите точки намаляват с около 34% в сравнение със стандартните подредби. Доста впечатляващо, като се има предвид колко още по-плътно се монтират компонентите с напредването на технологията.

Критични техники включват:

• Планово проектиране с внимание към граници за максимизиране на използването на ръбовете на кристала при напреднали методи за опаковане

• Адаптивно проектиране на мрежа за захранване, което динамично реагира на нуждите от разсейване на топлината

• Маршрутизиране на RDL в съответствие със стандартите за подобряване на добива при производството на интегрални схеми тип 2.5D/3D

Прогнозите на индустрията сочат, че до 2025 г. 50 % от новите проекти на чипове за високопроизводителни изчислителни системи ще прилагат архитектури с множество кристали, предизвикани от изискванията към пропускателната способност на ускорителите за изкуствен интелект. Този преход засяга и потребителската електроника, където екипите за проектиране трябва да балансират интерконектите, съвместими с UCIe, спрямо топлинните ограничения при устройства с дебелина под 7 мм. Наличието на дистрибуторски партньор, който разбира тези еволюционни технологии за опаковане и може да осигурява подходящи интерпозери, субстрати и компоненти за сглобяване, става все по-ценно.

Избор и интеграция на странични или собствени IP блокове в персонализирани SoC

Изборът между трети страни и собствени интелектуални права (IP) включва компромиси между скоростта на излизане на пазара и диференциацията по производителност. Търговските PHY IP за PCIe 6.0 или DDR5 ускоряват разработката на автомобилни контролери, докато персонализираните акселератори за невронни мрежи често осигуряват 2–3 пъти по-добра енергийна ефективност в приложения за изкуствен интелект на ръба.

Проучване от 2024 г. сред разработчици на SoC разкрива следните тенденции:

Скорошни проучвания показват, че стандартизираните интерфейси UCIe намаляват рисковете от интеграция в дизайните, базирани на чиплети, без да се жертва производителността. В SoC за промишлена автоматизация комбинирането на търговски IP за управление на двигатели със собствени модули за сигурност позволява съответствие с изискванията ASIL-D в рамките на енергийни обвивки под 2 W. Дистрибуторите подпомагат тези усилия, като осигуряват достъп до оценъчни платформи на доставчиците на IP, комплектите за разработка и техническата документация.

Използване на CAD/EDA инструменти и управление на разходи, рискове и външна поддръжка

Ролята на CAD/EDA инструментите при симулация, верификация и синтез на персонализирани ИС чипове

Съвременните EDA инструменти обработват около 70% от тези скучни, повтарящи се задачи по време на симулация и верификация, което значително ускорява разработката на персонализирани ИС. Платформите позволяват на инженерите да тестват какво е нивото на захранването при екстремни условия и да настройват сигнали, така че те да работят надеждно в реални ситуации. Според последния доклад за EDA инструменти от 2024 г., публикуван от анализатори на индустрията, компаниите, използващи тези интегрирани системи, отбелязват намаление с около 43% на грешките след производство поради вградената проверка на правилата за проектиране и подобрени възможности за термично моделиране. Това е логично, тъй като откриването на проблеми в ранен етап спестява време и пари в бъдеще.

Оценка на софтуерните инвестиции: Балансиране на първоначалните разходи и дългосрочния приход

Пълнофункционалните системи за електронен дизайн (EDA) могат да струват на компании над половин милион долара годишно, въпреки че сега съществуват модулни опции, които по-добре се мащабират за по-малки предприятия, които започват дейността си. Благодарение на лицензирането въз основа на токени инженерните екипи всъщност могат да използват тези напреднали синтезни инструменти точно когато им се нуждаят от тях — например по време на ключови етапи като проектиране на разположението на чипа или справяне с паразитните ефекти. Според някои проучвания, публикувани миналата година, компании с умерени размери постигнаха връщане на инвестициите си почти с една четвърт по-бързо, когато комбинираха безплатен софтуер за верификация от проекти с отворен код с платформи за проектиране на разположения, предоставяни от установени доставчици. Този хибриден подход изглежда работи добре за много растящи технологични фирми в момента. Дистрибуторите допълват тези инструменти, като осигуряват достъп до библиотеки с компоненти, референтни проекти и технически бележки, които ускоряват процеса на проектиране.

Ограничаване на риска чрез прототипиране, тестване и избягване на повторни версии

Основни стратегии за минимизиране на риска при разработката на ASIC включват:

• Прототипи на чипове върху многопроектни фланели, които намаляват неизбежните разходи (NRE) с 60–80%

• Автоматизирано генериране на тестови вектори, постигащо функционално покритие над 98%

• IP за мониторинг на място за откриване на нарушения на времевите изисквания по време на характеризация

Тези методи помагат да се избегнат повторни проектиране (respins), които могат да забавят излизането на продукта на пазара с 14–22 седмици за всяка ревизия на маската. През целия този процес имането на надежден доставчик на прототипни количества от поддържащи компоненти — от разработвателни платки до адаптери за програмиране — осигурява непрекъснатото напредване на проектите.

Достъп до външна поддръжка при проектирането и партньорства с производствени фабрики за стартиращи предприятия и малки и средни предприятия

Новите разработчици намират начини да заобиколят високите първоначални разходи, които преди са надхвърляли два милиона долара, като използват външни дизайн центрове и услуги за доставка на прототипи. Компаниите, специализирани в ASIC, сега осигуряват пълния цикъл от определяне на архитектурата на чипа до предаване на окончателните GDSII файлове. Освен това, много фабрики за производство на полупроводникови устройства са отворили вратите си и за по-малки играчи, като им предоставят достъп до напреднали производствени процеси с техпроцес 12 нм и 16 нм, без да е необходимо първоначално задължение за масови производствени серии. Това означава, че малките предприятия могат действително да отделят време за създаване на нещо уникално за своя пазар, вместо да се забавят от необходимостта да строят скъпа инфраструктура от нулата. Дистрибутори като SACOH подкрепят тези усилия, като предлагат експертиза в областта на веригата за доставки, набавяне на компоненти и логистична поддръжка, което позволява на дизайн екипите да се съсредоточат върху иновациите, а не върху проблемите, свързани с набавянето.

Персонализирани решения за ИС чипове, базирани на приложения в IoT, изкуствен интелект, автомобилна промишленост и промишлени системи

Приложни случаи на персонализирани ИС чипове в IoT, крайни устройства с изкуствен интелект, автомобилна промишленост и промишлена автоматизация

Персонализираните интегрални схеми отговарят на най-различни нужди в съвременните умни системи. Вземете за пример IoT-устройствата за крайна обработка (edge devices), където невроморфните проекти могат да намалят изискванията за AI-обработка с около 80 процента, без почти никакво намаляване на скоростта, като запазват времето за отговор под десет милисекунди. Автомобилната индустрия също е направила значителен напредък. Системите им на чип (SoC) сега включват повече от петнадесет напреднали функции за помощ при шофирането, реализирани върху един чип, което означава, че автомобилите разпознават обекти около четиридесет процента по-бързо по време на тестовите фази за технологиите за автономно шофиране. Не забравяйте и промишлените среди. Когато производителите вградят тези миниатюрни MEMS-сензори директно в своите персонализирани чипове, те всъщност повишават точността на предиктивното поддръжане, особено когато оборудването вибрира постоянно. Реалните тестове показват около третинка по-висок процент точност в тези тежки условия. За всяка от тези области на приложение е от решаващо значение да се работи с дистрибутор, който разбира специфичните изисквания и може да осигури подходящи компоненти — от високонадеждни пасивни елементи до специализирани конектори — за да се гарантира успешната им реализация.

Диференциране на продукти чрез специализирани SoC в конкурентни пазари

Производителите се борят с пазарното наситение, като използват вертикално оптимизирани SoC със собствени ускорители за криптиране, управление на двигателя и безжични протоколи. Тестовете показват, че персонализираните блокове за матрично умножение надвишават по производителност универсалните GPU-та с 5 пъти по отношение на пропускателна способност при изпълнение на невронни мрежи в крайните точки на AIoT. Дистрибуторите подкрепят тази диференциация, като осигуряват достъп до най-новите компоненти, техническа документация и решения за веригата на доставки, които помагат ефективно да се изведат тези специализирани продукти на пазара.

Оптимизация на производителността за ускорители на извода от изкуствен интелект и системи за реално време

Закалените ядра FP16 и адаптивното мащабиране на напрежението позволяват на системите за медицинска визуализация да откриват тумори с 30 % по-бързо, без да се компрометира диагностичната точност. Промишлените контролери в реално време, използващи персонализирани ИС, постигат време на отговор под 2 микросекунди за операции по аварийно спиране, които са критични за безопасността, като по този начин повишават надеждността на системата в приложения с критична значимост. В рамките на тези изискващи приложения способността да се набавят компоненти с гарантирани технически спецификации и надеждни графици за доставка остава съществена — стойност, която опитните дистрибутори предоставят на своите клиенти.