EN
দ্রুত লিঙ্ক
শিল্প ক্ষেত্রগুলিতে অর্ধপরিবাহী IC চিপগুলির নির্ভরযোগ্যভাবে কাজ করা প্রয়োজন, যেখানে এগুলি তাপমাত্রার প্রচণ্ড পরিবর্তন, ধ্রুবক কম্পন এবং সংকেতগুলিকে ব্যাহত করতে পারে এমন তড়িৎ-চৌম্বকীয় শোরগোল সহ কঠোর পরিস্থিতির মুখোমুখি হয়। যখন এই চিপগুলি ব্যর্থ হয়, তখন সম্পূর্ণ উৎপাদন লাইন বন্ধ হয়ে যায় বা নিরাপত্তা ব্যবস্থা ক্ষতিগ্রস্ত হয়। গত বছর পনমন ইনস্টিটিউটের গবেষণা অনুসারে, প্রতিটি ঘটনার জন্য কোম্পানিগুলির গড়ে প্রায় 740k ডলার খরচ হয়। নির্ভরযোগ্য আয়ু নিশ্চিত করার জন্য, উৎপাদকরা উচ্চ তাপমাত্রা চালনা জীবন পরীক্ষা এবং তাপমাত্রা চক্র পদ্ধতির মতো কঠোর পরীক্ষা চালায়। এই প্রক্রিয়াগুলি নিশ্চিত করে যে অংশগুলি 100 হাজার ঘন্টার বেশি চলাচল করতে পারে, এমনকি কঠিন পরিস্থিতিতেও। গাড়ির গ্রেড ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট উদাহরণস্বরূপ নিন। তাদের AEC-Q100 মানগুলি পাস করতে হবে, যার মানে হল প্রতি মিলিয়ন উৎপাদিত ডিভাইসের মধ্যে একটির বেশি ত্রুটিপূর্ণ ডিভাইস নেই, এবং গাড়িতে কমপক্ষে 15 বছরের সেবা জীবন জুড়ে এটি সত্য থাকা প্রয়োজন।
শিল্প ব্যবস্থাগুলি সাধারণত 10–15 বছরের সেবা আয়ুর দাবি করে, যা ভোক্তা ইলেকট্রনিক্সের সাধারণ 3–5 বছরের চক্রকে অতিক্রম করে। তবুও, 2022 সালে উৎপাদকদের দ্বারা পুরানো অর্ধপরিবাহী নোডগুলি ধাপে ধাপে বন্ধ করার কারণে শিল্প প্রতিষ্ঠানগুলির 40% অপ্রত্যাশিত উপাদান বন্ধ হওয়ার মুখোমুখি হয়েছিল (IHS Markit)। অপ্রচলনের ঝুঁকি কমাতে, প্রকৌশলীদের উচিত:
ডুয়াল-সোর্স উৎপাদন পদ্ধতি ব্যবহার করে 40nm MCU ব্যবহার করে একটি শীর্ষস্থানীয় শিল্প অটোমেশন সরবরাহকারী 12 বছরের মধ্যে 98.7% ক্ষেত্রে নির্ভরযোগ্যতা অর্জন করেছে। প্রধান কৌশলগুলি ছিল:
| কৌশল | ফলাফল |
|---|---|
| MIL-STD-883-এ যোগ্যতা | তাপমাত্রা-সম্পর্কিত ব্যর্থতার 62% কম |
| বহুস্তরীয় পুনরাবৃত্তি | ভোল্টেজ কমে যাওয়ার সময় ১২-মিনিটের ফেইলওভার |
| ডাই-স্তরের বার্ন-ইন পরীক্ষা | আদি ত্রুটি শনাক্তকরণ (<50ppm) |
এই পদ্ধতির ফলে প্রতি উৎপাদন লাইনে বছরে ২১০ ঘন্টা অপ্রত্যাশিত বন্ধ কমেছে।
আইসি বন্ধ হয়ে যাওয়ার কারণে দামি পুনঃনকশা এড়াতে, টিয়ার-১ সরবরাহকারীরা নিম্নলিখিতগুলি সুপারিশ করে:
শিল্প অর্ধপরিবাহী আইসি চিপগুলিকে তাদের ভোল্টেজ লেভেল প্রায় প্লাস-মাইনাস ৫% এর মধ্যে রাখতে হবে যখন লোড পরিবর্তন ঘটে যা তাদের রেট করা মানের প্রায় ১৫০% পর্যন্ত হতে পারে। স্বয়ংক্রিয় উৎপাদন কারখানাগুলিতে ব্যবহৃত মোটর নিয়ন্ত্রণ আইসি-এর কথা বিবেচনা করুন। এই উপাদানগুলিকে লোডের চাহিদায় হঠাৎ পরিবর্তন এলেও ধ্রুবক কারেন্ট সরবরাহ করতে হয়। না হলে, সিগন্যাল বিকৃতি ৩% টিএইচডি (টোটাল হারমোনিক ডিসটরশন) এর বেশি হয়ে যেতে পারে। এবং এই ধরনের বিকৃতি আসলে অনেক শিল্প মেশিন কার্যকরভাবে পরিচালনার জন্য নির্ভর করে এমন সিএএন বাস প্রোটোকল সহ গুরুত্বপূর্ণ যোগাযোগ ব্যবস্থাগুলিকে নষ্ট করে দিতে পারে।
শিল্প ক্ষেত্রগুলিতে তাপমাত্রা প্রায়শই 125 ডিগ্রি সেলসিয়াসের বেশি হয়, তাই সংহত বর্তনীগুলিকে ঠিকঠাক কাজ করার জন্য 150°C-এর বেশি জংশন তাপমাত্রা সহ্য করতে হয়। গত বছরের সদ্য প্রকাশিত গবেষণায় দেখা গেছে যে প্রিন্টেড সার্কিট বোর্ডগুলিতে প্রায় 0.3 মিলিমিটার ব্যাসের এবং 8 থেকে 1 অনুপাতের তাপীয় ভায়া (thermal vias) ব্যবহার করলে সাধারণ বোর্ড লেআউটের তুলনায় তাপীয় রোধ প্রায় এক তৃতীয়াংশ কমে যায়। ইস্পাত উৎপাদন কারখানার মতো অত্যধিক উত্তপ্ত পরিবেশে কাজ করা প্রোগ্রামেবল লজিক কন্ট্রোলারগুলির ক্ষেত্রে এই ধরনের নকশা উন্নতি ক্রমাগত গুরুত্বপূর্ণ হয়ে উঠছে, যেখানে তাপ ব্যবস্থাপনা নির্ভরযোগ্য কার্যকারিতা এবং সরঞ্জামের ব্যর্থতার মধ্যে পার্থক্য তৈরি করতে পারে।
শিল্প IoT ডিভাইসগুলিতে, গতিশীল বিদ্যুৎ অপ্টিমাইজেশন অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। 1.2V-এ চলমান 40nm MCU-এর ক্লক গেটিং প্রযুক্তি ব্যবহার করে সক্রিয় লিকেজ কারেন্ট 58% হ্রাস করা যায়। এদিকে, 28nm নোডগুলিতে 85°C-এর উপরে স্থিতিক বিদ্যুৎ খরচ নির্দিষ্টভাবে বৃদ্ধি পায়, যা সর্বদা চালু সেন্সর হাবগুলিতে মোট শক্তি ব্যবহারের 23% গঠন করে।
ডিজাইনাররা নমিনাল 0.95V পর্যন্ত আন্ডারভোল্টিং-এর সঙ্গে অ্যাডাপটিভ ফ্রিকোয়েন্সি স্কেলিং একত্রিত করে দক্ষতা অপ্টিমাইজ করেন। এই পদ্ধতি 200MHz বেস ফ্রিকোয়েন্সিতে কাজ করে এমন স্বয়ংক্রিয় পরীক্ষা সরঞ্জামগুলিতে প্রমাণিত হয়েছে, যা শীর্ষ কার্যকারিতার 92% বজায় রেখে শক্তি বিকিরণ 41% হ্রাস করে।
শিল্প ইলেকট্রনিক্সের জগতে, সংস্থাগুলি সাধারণত সর্বশেষ প্রযুক্তি (7nm-এর নিচে যা কিছু) ব্যবহার না করে 40nm এবং 65nm-এর মতো পুরানো অর্ধপরিবাহী উৎপাদন প্রক্রিয়াই বেছে নেয়। কেন? কারণ এই পুরানো প্রযুক্তিগুলি সময়ের সাথে সাথে নির্ভরযোগ্যতা এবং আজীবন সমর্থনের ক্ষেত্রে নিজেদের প্রমাণ দিয়েছে। 2025 সালের তথ্য পরিষ্কারভাবে এই প্রবণতা দেখায় - প্রায় প্রতি দশটি শিল্প বিশেষ উদ্দেশ্যমূলক সমন্বিত সার্কিট (ASIC)-এর মধ্যে সাতটি 28nm বা তার বড় নোডে তৈরি। এর প্রধান কারণ হল এই প্রক্রিয়াগুলি সাধারণত 0.1%-এর বহু নিচে ত্রুটির হার সহ চিপ তৈরি করে। অবশ্যই, নতুন নোডগুলি কম শক্তি খরচ করে, যা কাগজে দেখতে খুব ভালো লাগে। কিন্তু এখানে একটি সমস্যা আছে। এগুলি তাপ নিয়ন্ত্রণ করতে খুব খারাপ। যেসব কারখানায় তাপমাত্রা বেশ বেশি হয়, সেখানে এই উন্নত চিপগুলি তাপীয় ক্ষরণের সমস্যায় বেশি ভোগে এবং তাদের পুরানো সমকক্ষদের তুলনায় অনেক দ্রুত ক্ষয় হয়।
প্রাপ্তবয়স্ক অর্ধপরিবাহী নোডগুলির জন্য ওয়াফার আউটপুট প্রায়শই 98% এর বেশি হয়, যা সাধারণত 75 থেকে 85% এর মধ্যে থাকে যেসব সাব-10nm উত্পাদন প্রক্রিয়ায় দেখা যায়। এই পার্থক্যটি উৎপাদন খরচে প্রকৃত সাশ্রয়ে অনুবাদ করে এবং সরবরাহ চেইনকে আরও স্থিতিশীল করে তোলে। প্রকৃত কার্যকারিতা অনুযায়ী ব্যর্থতার হার দেখলে, 40nm একীভূত সার্কিটগুলি সাধারণত প্রতি বিলিয়ন ঘন্টা কাজের জন্য প্রায় 15টি ব্যর্থতা দেখায়। একই কার্যকরী অবস্থার অধীনে উন্নত নোডগুলি যা প্রায় 120 FIT এ ঠিক আছে, তার সাথে তুলনা করলে এটি বেশ চমকপ্রদ। এই নির্ভরযোগ্যতার ফারাকের কারণ? প্রাপ্তবয়স্ক নোডগুলির ট্রানজিস্টর ডিজাইন সাধারণত সহজ হয় এবং উত্পাদন প্রক্রিয়ার সময় কম পরিবর্তনশীলতা থাকে, যা ব্যবহারের সময় এগুলিকে আরও বেশি নির্ভরযোগ্য করে তোলে।
| প্যাকেজ ধরন | তাপীয় প্রতিরোধ (°C/W) | সর্বোচ্চ অপারেটিং তাপমাত্রা | শিল্প ব্যবহারের ক্ষেত্র |
|---|---|---|---|
| QFN | 35 | 125°C | মোটর নিয়ন্ত্রণ আইসি |
| BGA | 15 | ১৫০°C | রোবটিক্সের জন্য FPGA |
| TO-220 | 4 | 175°C | বিদ্যুৎ ব্যবস্থাপনা |
BGA এর মতো সিরামিক প্যাকেজগুলি প্লাস্টিকের QFN-এর তুলনায় পাঁচ গুণ বেশি তাপ অপসারণের সুবিধা দেয়, যা তেল ও গ্যাস সেন্সরের মতো কম্পনপ্রবণ অ্যাপ্লিকেশনের জন্য আদর্শ করে তোলে।
একটি প্রথম সারির শিল্প সরঞ্জাম উৎপাদক 28nm চিপগুলির পরিবর্তে তাপ-উন্নত BGA-এ 40nm MCU ব্যবহার করে ক্ষেত্রে ব্যর্থতা 40% হ্রাস করেছে। এই সমাধানটি 12 বছরের কার্যকরী আয়ু প্রদান করেছে এবং 10,000 এর বেশি তাপীয় চক্র সহ্য করেছে, যা চাহিদাপূর্ণ শিল্প পরিবেশে নির্ভরযোগ্যতা বৃদ্ধির জন্য কৌশলগত নোড-প্যাকেজ একীভূতকরণের গুরুত্ব তুলে ধরেছে।
শিল্প ক্ষেত্রে, কোম্পানিগুলি প্রায়ই কাস্টম-নির্মিত আইসি (IC)-এর প্রয়োজন হয় যা -40 ডিগ্রি সেলসিয়াস থেকে শুরু করে 150 ডিগ্রি পর্যন্ত চরম তাপমাত্রায় কাজ করার মতো বিশেষ চ্যালেঞ্জগুলি মোকাবেলা করতে পারে, এছাড়াও এগুলি ধাক্কা সহ্য করতে পারবে এবং বিভিন্ন যোগাযোগ প্রোটোকলের সাথে কাজ করবে। উদাহরণস্বরূপ, পাওয়ার গ্রিড কন্ট্রোলারগুলি সাধারণত ত্রুটি সংশোধনকারী মেমোরি সুবিধা সহ শক্তিশালী আইসি-এর প্রয়োজন হয়। অন্যদিকে, রোবটগুলি সাধারণত বাস্তব সময়ে প্রক্রিয়াকরণে সক্ষম প্রসেসরের উপর নির্ভর করে যেখানে প্রতিক্রিয়ার সময় 50 মাইক্রোসেকেন্ডের নিচে থাকে। শিল্প আইওটি বাস্তবায়নের সময় উপাদান এবং তাদের নির্দিষ্ট কাজের মধ্যে এই সঠিক মিল খুঁজে পাওয়া ব্যয়বহুল পুনঃনকশার প্রয়োজনীয়তা কমিয়ে দেয়। 2023 সালের সর্বশেষ এম্বেডেড সিস্টেম রিপোর্ট অনুযায়ী, এই সঠিক সামঞ্জস্য সাধারণত পুনঃকাজের জন্য যে অর্থ ব্যয় হতো তার প্রায় এক-তৃতীয়াংশ বাঁচায়।
SoC সলিউশনগুলি সবকিছু একসাথে একত্রিত করে - প্রসেসর, অ্যানালগ ফ্রন্ট এন্ড, পাওয়ার ম্যানেজমেন্ট - সবই এক চিপে। এটি বোর্ডের স্থান 40 থেকে 60 শতাংশের মধ্যে কমিয়ে দেয়, যা বেশ চিত্তাকর্ষক। তবে একটি সমস্যা আছে: এগুলি তৈরি করতে প্রায় 18 থেকে এমনকি 24 মাস সময় লাগে। অন্যদিকে, ডিসক্রিট আইসিগুলি ইঞ্জিনিয়ারদের পৃথকভাবে উপাদানগুলি আপগ্রেড করতে দেয়, যা পুরানো সরঞ্জামগুলির সাথে কাজ করার সময় অনেক গুরুত্বপূর্ণ। অবশ্যই, BOM খরচের ক্ষেত্রে তাদের প্রায় 25% বেশি খরচ হয়, তবে নির্মাতারা তাদের পণ্যগুলি প্রায় 50% দ্রুত বাজারে নিয়ে আসে। গত বছরের শিল্প তথ্যের দিকে তাকালে, সিএনসি মেশিনের রেট্রোফিটের অর্ধেকেরও বেশি (আসলে 63%) বিচ্ছিন্ন যন্ত্রাংশ দিয়ে তৈরি করা হয়েছিল। সত্যিই যুক্তিসঙ্গত, কারণ অনেক দোকানকে এখনও বিদ্যমান যন্ত্রপাতি এবং সফ্টওয়্যার সেটআপগুলির সাথে কাজ করতে হয়।
যদিও শিল্প-গ্রেড IC-এর একক মূল্য 8.50 ডলার (28nm MCUs) থেকে 220 ডলার (বিকিরণ-শক্তিশালী FPGAs) পর্যন্ত হয়, তবে মালিকানার মোট খরচের মধ্যে অন্তর্ভুক্ত হয় যোগ্যতা পরীক্ষা (গড়ে 740 হাজার ডলার, পনম্যান 2023 অনুসারে) এবং দীর্ঘমেয়াদী জীবনচক্র সমর্থন। একটি শিল্প বিশ্লেষণ দেখায় যে অনুকূলিত IC নির্বাচনের মাধ্যমে নিম্নলিখিতগুলির মাধ্যমে জীবনচক্রের খরচ 22% হ্রাস পায়: