EN
Γρήγοροι Σύνδεσμοι
Η σωστή ανάπτυξη προσαρμοσμένων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ξεκινά με την πλήρη κατανόηση του τι πρέπει να κατασκευαστεί. Η ομάδα μηχανικών συνεργάζεται στενά με τους προγραμματιστές προϊόντων για να καθορίσει παραμέτρους όπως οι στόχοι κατανάλωσης ενέργειας, οι οποίοι συνήθως πρέπει να παραμένουν κάτω από 1 βατ για τις περισσότερες εφαρμογές IoT. Επίσης, ορίζονται όρια ως προς τη διαχείριση θερμότητας και τις απαιτήσεις απόδοσης που είναι ειδικές για κάθε εφαρμογή. Για παράδειγμα, τα αυτοκινητιστικά συστήματα απαιτούν χρόνους επεξεργασίας σήματος κάτω από 10 νανοδευτερόλεπτα. Μια πρόσφατη ανασκόπηση των τάσεων ανάπτυξης ASIC το 2023 έδειξε κάτι ενδιαφέρον: όταν οι μηχανικοί διαθέτουν ξεκάθαρες και λεπτομερείς προδιαγραφές εξ αρχής, περίπου τα τέσσερα από τα πέντε έργα περνούν επιτυχώς την αρχική φάση δοκιμών. Αν όμως παραλειφθεί αυτό το βήμα, τότε η πιθανότητα επιτυχίας μειώνεται δραματικά, σε περίπου ένα τρίτο για την πρώτη προσπάθεια.
Οι μηχανικές ομάδες συχνά εφαρμόζουν προσεγγίσεις μονταρισμένου σχεδιασμού όταν συναρμολογούν επεξεργαστικούς πυρήνες όπως RISC-V ή ARM, μαζί με συστήματα μνήμης και συνδέσεις εισόδου/εξόδου που ανταποκρίνονται στις ανάγκες του τελικού προϊόντος. Για τα τσιπ που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανική αυτοματοποίηση, υπάρχουν αρκετά σημαντικά ζητήματα. Η ασφάλεια είναι πρωταρχικής σημασίας, γι' αυτό οι σχεδιαστές ενσωματώνουν κυκλώματα αντικατάστασης που πληρούν τα πρότυπα ISO 13849. Οι δυνατότητες επεξεργασίας σήματος σε πραγματικό χρόνο αποτελούν ένα ακόμη υποχρεωτικό χαρακτηριστικό. Και αυτά τα στοιχεία πρέπει να λειτουργούν αξιόπιστα ακόμη και σε ακραίες συνθήκες, να λειτουργούν σωστά από τους -40 βαθμούς Κελσίου μέχρι και +125 βαθμούς Κελσίου χωρίς να αποτυγχάνουν.
Αφού επικυρωθεί η αρχιτεκτονική, οι μηχανικοί προχωρούν στην κωδικοποίηση με HDL, εκτελούν προσομοιώσεις και βελτιστοποιούν τη φυσική διάταξη χρησιμοποιώντας διάφορα εργαλεία, όπως το Cadence Innovus. Η εκτέλεση ελέγχων ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής (EMI) και θερμικής ανάλυσης νωρίς στη διαδικασία, μέσω πολλαπλών επαναλήψεων πρωτοτύπων, μπορεί να μειώσει το κόστος ακριβών επαναλήψεων αργότερα. Οι περισσότερες εγκαταστάσεις παραγωγής χρειάζονται περίπου 12 έως 18 εβδομάδες για να παραδώσουν το πρώτο πυριτικό τσιπ, γι’ αυτόν τον λόγο η εξονυχιστική επαλήθευση πριν την παράδοση (tapeout) είναι τόσο κρίσιμη για την τήρηση των χρονοδιαγραμμάτων και τον έλεγχο του προϋπολογισμού του έργου.
Σύμφωνα με την πιο πρόσφατη Έκθεση Ενσωματωμένων Συστημάτων του 2024, τεχνικές όπως η προσαρμοστική ρύθμιση τάσης σε συνδυασμό με το κλείσιμο ρολογιού μπορούν να μειώσουν την κατανάλωση ρεύματος σε κατάσταση αναμονής σε κόμβους αισθητήρων IoT κατά περίπου 70%. Οι έξυπνοι σχεδιαστές εφαρμόζουν πλέον πολλαπλές περιοχές τροφοδοσίας για να διαχωρίσουν τα εξαρτήματα υψηλής συχνότητας από τα μέρη που πρέπει να παραμένουν ενεργά συνεχώς. Αυτή η προσέγγιση βοηθά σημαντικά στην επέκταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας σε συσκευές όπως ιατρικές φορητές τεχνολογίες και εξοπλισμός παρακολούθησης του περιβάλλοντος, όπου η μακροχρόνια λειτουργία είναι κρίσιμη. Όσον αφορά συγκεκριμένα τους πομπούς Bluetooth Low Energy, η δυναμική ρύθμιση των κατωφλίων στα σχέδια PMIC κάνει τη διάρκεια λειτουργίας τους περίπου 22% μεγαλύτερη, διατηρώντας παράλληλα καλές αποστάσεις εμβέλειας σήματος. Η βιομηχανία υιοθετεί σταδιακά αυτές τις μεθόδους, καθώς οι κατασκευαστές αναζητούν τρόπους βελτιστοποίησης της απόδοσης χωρίς να θυσιάζεται η αξιοπιστία.
Κατά το σχεδιασμό πακέτων και των συσχετισμένων κυκλωμάτων τους μαζί, η ποιότητα του σήματος βελτιώνεται πραγματικά, επειδή μπορούμε να λάβουμε υπόψη τις ενοχλητικές παρασιτικές αντιστάσεις του πακέτου μαζί με τα δίκτυα τερματισμού στο chip. Έχει αποδειχθεί ότι ορισμένοι προσαρμοσμένοι σχεδιασμοί ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που ενσωματώνουν ενίσχυση αντίστασης στα εισόδους/εξόδους μειώνουν σημαντικά τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Μια πρόσφατη βιομηχανική αναφορά του 2023 απέδειξε ότι αυτοί οι ειδικοί σχεδιασμοί μείωσαν τις ΗΜΠ κατά περίπου 41% σε σύγκριση με τις τυποποιημένες εναλλακτικές λύσεις. Για εφαρμογές ελέγχου κινητήρα ειδικού σκοπού συνολικά κυκλώματα , η διαχείριση θερμότητας γίνεται επίσης πολύ σημαντική. Η καλή σχεδίαση θερμικής διαχείρισης βοηθά στην αποφυγή του σχηματισμού ενοχλητικών θερμών σημείων. Και ας μην ξεχνάμε εκείνα τα μικρά αποσυζευκτικά συμπιεστήρες είτε πρέπει να τοποθετούνται με ακρίβεια σύμφωνα με τους κανόνες σχεδιασμού, ώστε η τροφοδοσία να παραμένει σταθερή ακόμη και όταν οι φορτίσεις αλλάζουν απότομα.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα σύστημα συνεχούς παρακολούθησης της γλυκόζης που μπορεί να λειτουργήσει μέχρι και 18 μήνες με μία φόρτιση, χάρη σε αρκετές έξυπνες επιλογές σχεδίασης. Πρώτον, εφάρμοσαν τεχνικές λειτουργίας υπο-κατωφλίου στα κυκλώματα του αναλογικού προ-ενισχυτή, με αποτέλεσμα τη δραματική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Δεύτερον, χρησιμοποίησαν δειγματοληψία ADC με χρονική παρεμβολή, η οποία λειτουργεί εν αρμονία με τις εκρήξεις ραδιοσυχνοτήτων κατά τη μετάδοση δεδομένων. Και τρίτον, ενσωμάτωσαν τεχνολογία απορρόφησης ηλιακής ενέργειας εντός του τσιπ, η οποία μπορεί να παράγει περίπου 15 μικροβάτ ακόμη και υπό συνήθη εσωτερικά φωτιστικά περιβάλλοντα. Το τελικό προσαρμοσμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα 40 νανομέτρων παρουσιάζει επίσης εντυπωσιακά αποτελέσματα - επιτυγχάνοντας σχεδόν 99,3 τοις εκατό ακρίβεια μέτρησης, ενώ απορροφά μόλις 3,2 μικροαμπέρ ανά μεγαχέρτζ. Αυτό αντιπροσωπεύει μείωση περίπου δύο τρίτων στην κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με προηγούμενες εκδόσεις παρόμοιων συσκευών.
Όταν πρόκειται για φορητές συσκευές και συσκευές IoT όπου ο χώρος είναι περιορισμένος και η διαχείριση της θερμότητας έχει μεγάλη σημασία, οι προηγμένες τεχνικές διάταξης γίνονται απολύτως κρίσιμες. Πολλοί μηχανικοί στρέφονται σήμερα σε τεχνολογίες όπως η στοίβαξη 3DIC και η τεχνολογία microvia, επειδή μπορούν να μειώσουν το συνολικό αποτύπωμα διατηρώντας παράλληλα τα σήματα καθαρά και ισχυρά. Μια πρόσφατη μελέτη του 2023 εξέτασε πώς η στρατηγική τοποθέτηση χάλκινων πυλώνων σε σχεδιασμούς System-in-Package έκανε σημαντική διαφορά. Τα αποτελέσματα; Οι ζώνες υπερθέρμανσης μειώθηκαν κατά περίπου 34% σε σύγκριση με τις τυπικές διατάξεις. Αρκετά εντυπωσιακό, λαμβανομένου υπόψη πόσο πιο συμπαγής γίνεται η τοποθέτηση των εξαρτημάτων καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται.
Οι κρίσιμες τεχνικές περιλαμβάνουν:
Οι προβλέψεις του κλάδου υποδεικνύουν ότι το 50% των νέων σχεδιασμών υψηλής απόδοσης επεξεργαστών υπολογιστών θα υιοθετήσει αρχιτεκτονικές με πολλαπλά die έως το 2025, καθώς οι απαιτήσεις για εύρος ζώνης σε επιταχυντές τεχνητής νοημοσύνης αυξάνονται. Αυτή η μετατόπιση επηρεάζει τα ηλεκτρονικά καταναλωτή, όπου οι ομάδες σχεδίασης πρέπει να εξισορροπούν τα διασυνδετικά σύμφωνα με το UCIe με τους θερμικούς περιορισμούς σε συσκευές με πάχος λιγότερο από 7 mm.
Η επιλογή μεταξύ IP τρίτων και ιδιόκτητων IP περιλαμβάνει εμπορικούς συμβιβασμούς μεταξύ ταχύτητας εισαγωγής στην αγορά και διαφοροποίησης απόδοσης. Το εμπορικό IP PHY PCIe 6.0 ή DDR5 επιταχύνει την ανάπτυξη για αυτοκινητιστικούς ελεγκτές, ενώ οι προσαρμοσμένοι επιταχυντές νευρωνικών δικτύων συχνά προσφέρουν 2–3 φορές καλύτερη απόδοση ισχύος σε εφαρμογές edge AI.
Μια έρευνα το 2024 μεταξύ προγραμματιστών SoC αποκάλυψε τις ακόλουθες τάσεις:
| Προσέγγιση Ενσωμάτωσης | Μέσος Χρόνος Ανάπτυξης | Ευελιξία Βελτιστοποίησης Κατανάλωσης Ισχύος |
|---|---|---|
| IP Τρίτων | 7,2 μήνες | 38% |
| Προσαρμοσμένο IP | 11,5 μήνες | 81% |
Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι οι τυποποιημένες διεπαφές UCIe μειώνουν τους κινδύνους ενσωμάτωσης σε σχεδιασμούς βασισμένους σε chiplet, διατηρώντας παράλληλα την απόδοση. Σε SoC για βιομηχανική αυτοματοποίηση, ο συνδυασμός εμπορικών IP ελέγχου κινητήρα με ιδιόκτητα μόδιουλα ασφαλείας επιτρέπει τη συμμόρφωση με ASIL-D εντός υπο-2W περιβαλλόντων ισχύος.
Τα σημερινά εργαλεία EDA αναλαμβάνουν περίπου το 70% αυτών των βαρετών, επαναλαμβανόμενων εργασιών κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης και της επαλήθευσης, γεγονός που επιταχύνει σημαντικά την ανάπτυξη προσαρμοσμένων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Οι πλατφόρμες επιτρέπουν στους μηχανικούς να ελέγχουν πώς διατηρείται η ισχύς υπό ακραίες συνθήκες και να βελτιώνουν τις διαδρομές σήματος, ώστε να λειτουργούν αξιόπιστα σε πραγματικές καταστάσεις. Σύμφωνα με την τελευταία Έκθεση Εργαλείων EDA του 2024 από αναλυτές του κλάδου, οι εταιρείες που χρησιμοποιούν αυτά τα ενσωματωμένα συστήματα καταγράφουν μείωση περίπου 43% στα σφάλματα μετά την κατασκευή, λόγω του ενσωματωμένου ελέγχου κανόνων σχεδίασης και των βελτιωμένων δυνατοτήτων θερμικής προσομοίωσης. Αυτό είναι λογικό, καθώς η έγκαιρη ανίχνευση προβλημάτων εξοικονομεί χρόνο και χρήματα στο μέλλον.
Τα πλήρως εξοπλισμένα συστήματα EDA μπορούν να κοστίζουν σε εταιρείες έως και μισό εκατομμύριο δολάρια το χρόνο, αν και πλέον υπάρχουν μοντουλοποιημένες επιλογές που προσαρμόζονται καλύτερα σε μικρότερες επιχειρήσεις που ξεκινούν. Με τη χρήση token για την άδεια χρήσης, οι μηχανικοί μπορούν πραγματικά να χρησιμοποιούν αυτά τα προηγμένα εργαλεία σύνθεσης όταν τα χρειάζονται περισσότερο, σε σημαντικά στάδια όπως η διάταξη του chip ή η αντιμετώπιση παρασιτικών φαινομένων. Σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύθηκε πέρυσι, εταιρείες μέτριου μεγέθους είδαν την απόδοση της επένδυσής τους να επιστρέφει σχεδόν ένα τέταρτο πιο γρήγορα, όταν συνδύασαν δωρεάν λογισμικό επαλήθευσης από ανοιχτά προγράμματα με πληρωμένα προγράμματα διάταξης από καθιερωμένους προμηθευτές. Η υβριδική αυτή προσέγγιση φαίνεται να λειτουργεί καλά για πολλές αναπτυσσόμενες τεχνολογικές εταιρείες αυτήν τη στιγμή.
Βασικές στρατηγικές για την ελαχιστοποίηση του κινδύνου στην ανάπτυξη ASIC περιλαμβάνουν:
Αυτές οι μέθοδοι βοηθούν στην αποφυγή επαναληπτικών διαδικασιών, οι οποίες μπορούν να καθυστερήσουν την έξοδο στην αγορά κατά 14–22 εβδομάδες ανά αναθεώρηση μάσκας.
Οι νέοι προγραμματιστές βρίσκουν τρόπους να ξεπεράσουν τα υψηλά κόστη έναρξης, τα οποία κάποτε ξεπερνούσαν τα δύο εκατομμύρια δολάρια, χρησιμοποιώντας εξωτερικά κέντρα σχεδίασης και υπηρεσίες αποστολής για πρωτότυπα. Εταιρείες ειδικευμένες στα ASIC αναλαμβάνουν πλέον όλες τις φάσεις, από τον καθορισμό της αρχιτεκτονικής του τσιπ μέχρι την παράδοση των τελικών αρχείων GDSII. Πολλά εργοστάσια παραγωγής έχουν επίσης ανοίξει τις πύλες τους σε μικρότερους παίκτες, προσφέροντάς τους πρόσβαση σε προηγμένες διεργασίες παραγωγής στα 12nm και 16nm, χωρίς να απαιτείται πρώτα η δέσμευση για τεράστιες παραγωγικές διαδικασίες. Αυτό σημαίνει ότι οι μικρές επιχειρήσεις μπορούν πραγματικά να επικεντρωθούν στη δημιουργία κάτι μοναδικού για την αγορά τους, αντί να χάνουν χρόνο προσπαθώντας να δημιουργήσουν από το μηδέν ακριβή υποδομή.
Οι προσαρμοσμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα αντιμετωπίζουν ποικίλες ανάγκες σε σύγχρονα έξυπνα συστήματα. Για παράδειγμα, στις συσκευές IoT στο edge, οι νευρομορφικές σχεδιάσεις μπορούν να μειώσουν τις απαιτήσεις επεξεργασίας AI κατά περίπου 80 τοις εκατό, χωρίς σημαντική θυσία στην ταχύτητα, διατηρώντας τους χρόνους απόκρισης κάτω από δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η αυτοκινητοβιομηχανία έχει σημειώσει επίσης μεγάλη πρόοδο. Τα system-on-chips (SoC) τώρα ενσωματώνουν περισσότερα από δεκαπέντε προηγμένα χαρακτηριστικά βοηθητικής οδήγησης σε ένα μόνο chip, γεγονός που σημαίνει ότι τα αυτοκίνητα ανιχνεύουν αντικείμενα περίπου 40 τοις εκατό γρηγορότερα κατά τις φάσεις δοκιμής της τεχνολογίας αυτόνομης οδήγησης. Και μην ξεχνάτε ούτε τις βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Όταν οι κατασκευαστές ενσωματώνουν αυτούς τους μικροσκοπικούς αισθητήρες MEMS απευθείας στα προσαρμοσμένα τους chips, αυξάνεται πραγματικά η ακρίβεια της προληπτικής συντήρησης, ειδικά όταν τα μηχανήματα ταλαντεύονται συνεχώς. Πραγματικές δοκιμές δείχνουν περίπου ένα τρίτο καλύτερο ποσοστό ακρίβειας σε αυτές τις δύσκολες συνθήκες.
Οι κατασκευαστές αντιμετωπίζουν τον κορεσμό της αγοράς εφαρμόζοντας κατακόρυφα βελτιστοποιημένα SoC με ιδιόκτητους επιταχυντές για κρυπτογράφηση, έλεγχο κινητήρα και ασύρματα πρωτόκολλα. Τα στοιχεία δείχνουν ότι οι προσαρμοσμένες μονάδες πολλαπλασιασμού πινάκων υπερτερούν των γενικών GPU κατά 5 φορές στην απόδοση νευρωνικών δικτύων σε σημεία AIoT.
Ενισχυμένοι πυρήνες FP16 και προσαρμοστική βαθμονόμηση τάσης επιτρέπουν στα συστήματα ιατρικής απεικόνισης να ανιχνεύουν όγκους 30% ταχύτερα χωρίς να θυσιάζεται η διαγνωστική ακρίβεια. Πραγματικού χρόνου βιομηχανικοί ελεγκτές που χρησιμοποιούν προσαρμοσμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα επιτυγχάνουν χρόνους αντίδρασης κάτω από 2¼ s για λειτουργίες ασφαλούς απενεργοποίησης, βελτιώνοντας την αξιοπιστία του συστήματος σε κρίσιμες εφαρμογές.