EN
Pikalinkit
Mukautettujen IC-piirien suunnittelu oikein alkaa siitä, että ymmärretään täsmällisesti, mitä tulee rakentaa. Tekniikkatiimi tekee tiivistä yhteistyötä tuotekehittäjien kanssa määrittääkseen esimerkiksi virtakulutustavoitteet, jotka useimmissa IoT-sovelluksissa tulisi pitää alle yhden watin. He myös asettavat rajat lämmönhajonnalle ja suorituskykyvaatimuksille, jotka ovat sovelluskohtaisia. Esimerkiksi autoteollisuuden järjestelmissä vaaditaan usein signaalinkäsittelyaikoja alle 10 nanosekuntia. Viime vuoden 2023 ASIC-kehityksen trendien tarkastelu paljasti mielenkiintoisen seikan: kun insinööreillä on alusta alkaen selkeät ja yksityiskohtaiset tekniset vaatimukset, noin neljä viidestä hankkeesta läpäisee ensimmäisen testivaiheen onnistuneesti. Mutta jos tämä vaihe jätetään väliin, onnistumismahdollisuudet laskevat dramaattisesti noin kolmasosaan onnistumisesta jo ensimmäisellä kerralla.
Insinööritiimit käyttävät usein modulaarisia suunnitteluratkaisuja yhdistellessään käsittely-ytimiä, kuten RISC-V:tä tai ARM:ia, muistijärjestelmiä ja syöttö/lähtöliitäntöjä vastaamaan lopullisen tuotteen tarpeita. Teolliseen automaatioon tarkoitetuissa piireissä on useita tärkeitä seikkoja huomioitavana. Turvallisuus on ensisijainen asia, joten suunnittelijat sisällyttävät varajärjestelmiä, jotka täyttävät ISO 13849 -standardin vaatimukset. Reaaliaikaiset signaalinkäsittelyominaisuudet ovat toinen välttämätön ominaisuus. Näiden komponenttien on lisäksi toimittava luotettavasti myös ääriolosuhteissa ja toimittava moitteettomasti lämpötilassa, joka vaihtelee miinus 40 asteesta pakkasella aina plus 125 asteeseen asti.
Kun arkkitehtuuri on vahvistettu, insinöörit siirtyvät HDL-koodaukseen, suorittavat simulointeja ja optimoivat fyysistä asettelua erilaisten työkalujen, kuten Cadence Innovus -ohjelmiston, avulla. Sähkömagneettisen häiriön (EMI) tarkistukset ja lämpöanalyysit, jotka tehdään varhaisessa vaiheessa useiden prototyyppikierrosten aikana, voivat vähentää kalliita uudelleenvalmistuksia myöhemmin. Useimmat valmistajat tarvitsevat noin 12–18 viikkoa toimittaaakseen ensimmäisen piirin, minkä vuoksi perusteellinen verifiointi ennen piirin lopullista luovutusta (tapeout) on niin tärkeää projektin aikataulun ja budjetinhallinnan kannalta.
Vuoden 2024 Embedded Systems -raportin mukaan teknologiat, kuten mukautuva jännitetasosäätö yhdistettynä kellonkytkentään, voivat vähentää IoT-anturisolmujen leporuokavirran kulutusta noin 70 prosentilla. Älykkäät suunnittelijat toteuttavat nykyisin useita virta-alueita erottaakseen korkeataajuiset laskentakomponentit niistä osista, joiden on pysyttävä aktiivisina koko ajan. Tämä lähestymistapa auttaa merkittävästi parantamaan akun kestoa laitteissa, kuten lääketieteellisissä käytettävissä ja ympäristön seurantalaitteissa, joissa pitkäaikainen toiminta on kriittistä. Erityisesti Bluetooth Low Energy -lähettimissä dynaamisten kynnysarvojen säätäminen PMIC-suunnittelussa pidentää niiden käyttöikää noin 22 prosenttia ilman, että signaalin kantama heikkenee. Teollisuus on vähitellen omaksunut nämä menetelmät, kun valmistajat etsivät keinoja tehostaa suorituskykyä luotettavuutta vaarantamatta.
Kun pakkausten ja niihin liittyvien piirien suunnittelua tehdään yhdessä, signaalin laatu paranee itse asiassa, koska voimme ottaa huomioon hankalat pakkausparasiitit yhdessä piirin sisäisten lopetusten kanssa. Joidenkin räätälöityjen integroidtujen piirien suunnittelujen, jotka sisältävät impedanssisovitetut tulo/lähtöpuskurit, on osoitettu vähentävän sähkömagneettista häiriöalttiutta merkittävästi. Yksi tuore teollisuuden vertailuarvo vuodelta 2023 osoitti, että nämä erikoissuunnitellut ratkaisut vähensivät EMI:tä noin 41 % verrattuna tavallisiin valmiisiin vaihtoehtoihin. Moottorinohjauksen sovellusten kannalta integroidut piirit , myös lämpöhallinta on erittäin tärkeää. Hyvä lämpösuunnittelu auttaa estämään ärsyttävien kuumien kohtien syntymisen. Ja älkäämme unohtako pientä jännitteenestovaipan kanta-aineet ne on asennettava juuri oikeaan kohtaan suunnittelun sääntöjen mukaisesti, jotta virta pysyy vakiona myös silloin, kun kuormat muuttuvat yhtäkkiä.
Tutkijat kehittivät jatkuvan glukoosinseurantajärjestelmän, joka voi toimia jopa 18 kuukautta yhdellä latauksella useiden nerokkaiden suunnitteluratkaisujen ansiosta. Ensinnäkin he toteuttivat alikynnyskäyttötekniikoita analogisen etuliitännän piireissä, mikä vähentää huomattavasti virrankulutusta. Toiseksi he käyttivät aikajakoista ADC-näytteenottoa, joka toimii synkronissa radiotaajuisien lähetyspulssejen kanssa tiedonsiirrossa. Kolmanneksi he sisällyttivät piiriin aurinkoenergian keruuteknologian, joka pystyy tuottamaan noin 15 mikrowattia jopa tavallisissa sisätilojen valaistusolosuhteissa. Tuloksena oleva 40 nanometrin oma integroitu piiri antaa myös vaikuttavia tuloksia – saavuttaen lähes 99,3 prosentin mittaustarkkuuden ja kuluttaen vain 3,2 mikroampeeria megahertsziä kohti. Tämä tarkoittaa noin kaksi kolmasosaa pienempää virrankulutusta verrattuna aiempiin samankaltaisten laitteiden versioihin.
Kun on kyse laitteista ja IoT-laitteista, joissa tila on kallista ja lämmönhallinnalla on merkitystä, kehittyneet asettelutekniikat tulevat ratkaisevan tärkeiksi. Monet insinöörit käyttävät nykyään esimerkiksi 3DIC-kerrostamista yhdessä mikrovian teknologian kanssa, koska niillä voidaan pienentää kokonaismittoja samalla kun signaalit pysyvät siisteinä ja vahvoina. Vuoden 2023 tuoreet tutkimukset tarkastelivat kuparipylväiden strategisen sijoittelun vaikutusta paketoiduissa järjestelmissä. Tulokset? Kuumat pisteet vähenivät noin 34 % verrattuna tavallisiin asetteluihin. Melko vaikuttavaa, kun otetaan huomioon, kuinka tiiviimmin komponentit pakataan teknologian edetessä.
Kriittisiä tekniikoita ovat:
Alan ennusteet viittaavat siihen, että 50 % uusista suorituskykyisistä tietokonepiireistä käyttää vuoteen 2025 mennessä moniosaisia arkkitehtuureja tekoälykiihdyttimien kaistanleveyden vaatimusten vuoksi. Tämä siirtymä vaikuttaa kuluttajaelektroniikkaan, jossa suunnittelutiimien on tasapainotettava UCIe-yhteensopivien yhteyksien ja lämpörajoitusten välillä alle 7 mm profiilissa olevissa laitteissa.
Kolmannen osapuolen ja omien IP-ratkaisujen valinnassa on kompromisseja markkinoille pääsyn nopeuden ja suorituskyky-erojen välillä. Kaupalliset PCIe 6.0- tai DDR5-PHY-IP:t kiihdyttävät kehitystä autoteollisuuden ohjaimissa, kun taas räätälöidyt neuroverkkokiihdyttimet tarjoavat usein 2–3 kertaa paremman virrankulutustehokkuuden reuna-AI-sovelluksissa.
SoC-kehittäjien vuoden 2024 kysely paljasti seuraavia trendejä:
| Integrointitapa | Keskimääräinen kehitysaika | Virrankulutuksen optimointijoustavuus |
|---|---|---|
| Kolmannen osapuolen IP | 7,2 kuukautta | 38% |
| Räätälöity IP | 11,5 kuukautta | 81% |
Uusimmat tutkimukset osoittavat, että standardoidut UCIe-liitynnät vähentävät integrointiriskejä sirupohjaisissa suunnitteluratkaisuissa samalla kun ne säilyttävät suorituskyvyn. Teollisen automaation järjestelmäpiireissä kaupallisen moottorinohjaus-IP:n yhdistäminen omaan tietoturva-moduuliin mahdollistaa ASIL-D -yhteensopivuuden alle 2 W:n tehonkulutuksessa.
Nykyiset EDA-työkalut hoitavat noin 70 % tylsistä toistuvista tehtävistä simuloinnin ja varmistuksen aikana, mikä todella nopeuttaa räätälöityjen IC-piirien kehitystyötä. Alustat mahdollistavat insinöörien testata tehon kestävyyttä ääriolosuhteissa ja säätää signaalipoluja siten, että ne toimivat luotettavasti oikeissa käyttöympäristöissä. Teollisuusanalyysien mukaan vuoden 2024 EDA-työkaluraportin mukaan näitä integroituja järjestelmiä käyttävät yritykset nähneet noin 43 %:n vähennyksen virheissä valmistuksen jälkeen, mikä johtuu sisäänrakennetuista suunnitteluohjeiden tarkistusominaisuuksista ja parannetuista lämpömalleista. Tämä on loogista, koska ongelmien havaitseminen varhain säästää kaikkia aikaa ja rahaa myöhemmässä vaiheessa.
Täysvarusteiset EDA-järjestelmät voivat maksaa yrityksille jopa puoli miljoonaa dollaria vuodessa, vaikka nykyään on olemassa myös modulaarisia vaihtoehtoja, jotka skaalautuvat paremmin vastaperustettujen pienyritysten tarpeisiin. Token-perustainen lisenssien hallinta mahdollistaa sittenkin näiden edistyneiden synteesityökalujen käytön silloin, kun niitä todella tarvitaan tärkeissä vaiheissa, kuten piirin asettelun valmistelussa tai häiriöilmiöiden kanssa toimimisessa. Viime vuonna julkaistun tutkimuksen mukaan keskikokoiset yritykset saavuttivat investointiensä tuoton lähes neljännesvuotta nopeammin, kun ne yhdistivät avoimen lähdekoodin projekteista saatavilla olevan ilmainen varmistusohjelmiston maksullisiin asettelujärjestelmiin tunnettujen toimittajien kautta. Tämä hybridiratkaisu vaikuttaa toimivan hyvin monille kasvaville teknologiayrityksille juuri nyt.
ASIC-kehityksen riskien minimoimiseksi keskeisiä strategioita ovat:
Nämä menetelmät auttavat välttämään uudelleenvalmistukset, jotka voivat viivyttää markkinoille tuloa 14–22 viikkoa per maskien uudelleenmuokkaus.
Uudet kehittäjät löytävät keinoja kiertää aiemmin yli kahden miljoonan dollarin käynnistyskustannukset hyödyntämällä ulkoisia suunnittelukeskuksia ja prototyyppien toimituspalveluja. ASIC-erikoistuneet yritykset hoitavat nyt kaiken sirun arkkitehtuurin selvittämisestä aina lopullisten GDSII-tiedostojen luovuttamiseen asti. Lisäksi monet valmistajat ovat avanneet ovensa myös pienemmille toimijoille, tarjoten heille pääsyn edistyneisiin valmistusprosesseihin 12 nm:n ja 16 nm:n tasolla ilman, että heidän tarvitsee ensin sitoutua massiivisiin tuotantosarjoihin. Tämä tarkoittaa pienille yrityksille sitä, että ne voivat todella keskittyä luomaan jotain ainutlaatuista omalle markkinallensa sen sijaan, että jumittuisivat yrittämään rakentaa kalliita infrastruktuureja alusta alkaen.
Mukautetut integroidut piirit ratkaisevat kaikenlaisia tarpeita nykyaikaisissa älyjärjestelmissä. Otetaan esimerkiksi IoT-reunalaitteet, joissa neuromorfiset ratkaisut voivat vähentää tekoälylaskennan tarvetta noin 80 prosenttia menettämättä juuri lainkaan nopeutta, ja säilyttävät vastausajat alle kymmenen millisekunnissa. Autoteollisuus on myös edistynyt huomattavasti. Nykyiset järjestelmäpiirit sisältävät yhdessä piirissä yli viisitoista edistynyttä kuljettajan apujärjestelmäominaisuutta, mikä tarkoittaa, että autot havaitsevat kohteita noin 40 prosenttia nopeammin itseohjautuvan tekniikan testausvaiheissa. Älä unohda teollisia sovelluksiaakaan. Kun valmistajat upottavat näitä pieniä MEMS-antureita suoraan mukautettuihin piireihinsä, he parantavat ennakoivan kunnossapidon tarkkuutta erityisesti silloin, kun laitteisto värähtelee jatkuvasti. Käytännön testit osoittavat noin kolmanneksen paremman tarkkuusasteen näissä vaikeissa olosuhteissa.
Valmistajat torjuvät markkinoiden kyllästymisen käyttämällä pystysuoraan optimoituja SoC-ratkaisuja, joissa on omistettuja kiihdyttimiä salaukseen, moottorinohjaukseen ja langattomiin protokolliin. Vertailutestien mukaan räätälöidyt matriksikertolaskuyksiköt suoriutuvat tehotasossa 5 yksikköä paremmin kuin yleiskäyttöiset GPU:t neuroverkkojen läpivirtauksessa älykkäiden esineiden verkon reunalla.
Kovetetut FP16-ytimet ja mukautuva jännitetasosäätö mahdollistavat lääketieteellisten kuvantamisjärjestelmien havaita kasvaimet 30 % nopeammin ilman diagnostista tarkkuuden heikkenemistä. Räätälöityjä piirejä käyttävät teolliset reaaliaikaohejausjärjestelmät saavuttavat reaktioajat alle 2¼ s turvallisuuskriittisiin sammutustoimiin, mikä parantaa järjestelmän luotettavuutta tehtäväkriittisissä sovelluksissa.