Vinkkejä räätälöidyn IC-piirin suunnitteluun erityisvaatimusten täyttämiseksi

Tuotteen spesifikaatioiden ja järjestelmävaatimusten määrittäminen mukautettujen IC-piirien kehittämiseksi

Suunnittelun vaatimusten ymmärtäminen ja komponenttivalinnat mukautettuihin piirisuunnitteluprojekteihin

Omaa integroitua piiriä (IC) koskevien projekttien onnistuminen alkaa siitä, että ymmärretään todella hyvin, mitä tulee rakentaa, ja valitaan oikeat tukevat komponentit. Insinööritiimi työskentelee tiiviisti tuotekehittäjien kanssa määrittääkseen esimerkiksi tehonkulutustavoitteet, jotka useimmissa IoT-sovelluksissa tulisi pysyä yhden watin alapuolella. Tiimi määrittelee myös lämmönjakautumisen ja sovellukseen erityisesti liittyvät suorituskyvyn vaatimukset. Esimerkiksi autoteollisuuden järjestelmät vaativat usein signaalinkäsittelyajan alle 10 nanosekuntia. Viime vuoden 2023 ASIC-kehitystrendien tarkastelu paljastaa mielenkiintoisen havainnon: kun insinööreillä on alusta alkaen selkeät ja yksityiskohtaiset määrittelyt sekä luotettava komponenttien hankintakanava, noin kahdeksan kymmenestä projektista läpäisee ensimmäisen testivaiheensa onnistuneesti. Mutta jos tämä vaihe ohitetaan tai kohtaan syntyvät toimitusketjuun liittyviä epävarmuuksia, niin onnistumismahdollisuudet laskevat dramaattisesti vain noin kolmanneksi ensimmäisellä yrityksellä. Tässä vaiheessa on tärkeää työskennellä kokemuksellisen jakelijan kanssa, kuten SACOH muuttuu arvokkaaksi—varmistaa, että tarkkuuskomponentit, joita tarvitaan prototyypeille ja tuotantosarjoille, ovat saatavilla tarvittaessa täydellisellä jäljitettävyydellä ja vaadittavalla vaatimustenmukaisuusdokumentaatiolla.

Arkkitehtuurisuunnittelu ja komponenttivalinnat kohdesovelluksia varten

Insinöörimiehistöt käyttävät usein modulaarisia suunnittelumenetelmiä, kun ne rakentavat käsittelyytimeen, kuten RISC-V- tai ARM-ytimiin, sekä muistijärjestelmiin ja tulo/lähtöliitäntöihin, jotka vastaavat lopullisen tuotteen vaatimuksia. Teollisuusautomaatiossa käytettävien piirien suunnittelussa on useita tärkeitä näkökohtia. Turvallisuus on ehdoton eteenpäin, joten suunnittelijat sisällyttävät varmuuspiirit, jotka täyttävät ISO 13849 -standardin vaatimukset. Reaaliaikaiset signaalinkäsittelykyvyt ovat toinen välttämätön ominaisuus. Lisäksi nämä komponentit täytyy toimia luotettavasti myös äärimmäisissä olosuhteissa ja toimia moitteettomasti lämpötiloissa miinus 40 asteikosta plus 125 asteikoon saakka ilman vikoja. Komponenttien valinta tällaisten lämpötila-alueiden yli taatulla suorituskyvyllä edellyttää yksityiskohtaista eritelmytietoa ja luotettavia toimitusketjuja – asiantuntemusta, jonka jakelijat kuten SACOH tarjoavat teknisen tuensa ja hankintapalveluidensa kautta.

Suunnittelun aloituksesta piin valmistukseen: Modernien IC-työnkulkujen hallinta

Kun arkkitehtuuri on vahvistettu, insinöörit siirtyvät HDL-koodaukseen, suorittavat simulointeja ja optimoivat fyysisen asettelun eri työkalujen avulla, mukaan lukien Cadence Innovus. Elektromagneettisen häiriön (EMI) tarkastusten ja lämpöanalyysin suorittaminen varhaisessa vaiheessa useiden prototyyppien kautta voi vähentää kalliita uusia valmistuskiertoja myöhemmin prosessissa. Useimmat puolijohdetehdaslaitokset tarvitsevat noin 12–18 viikkoa ensimmäisen piirisirjan toimittamiseen, mikä tekee laajamittaisen verifiointiprosessin erityisen tärkeäksi ennen lopullista valmistusversiota (tapeout), jotta projektin aikataulua ja budjettia voidaan hallita tehokkaasti. Tässä vaiheessa luotettavan kumppanin käyttö arviointilevyjen, ohjelmointityökalujen ja viitereferenssikomponenttien hankinnassa auttaa pitämään kehitystyön aikataulussa.

Tehonkulutuksen ja sähkösuorituskyvyn optimointi räätälöidyissä IC-piireissä

Virrankulutuksen optimointistrategiat akkukäyttöisille ja IoT-laitteille

Uusimman vuoden 2024 upotettujen järjestelmien raportin mukaan tekniikoilla, kuten sopeutuvalla jännitteen säädöllä yhdistettynä kellonporttitekniikkaan, voidaan vähentää IoT-anturisolmujen odotustilassa kulutettavaa virtaa noin 70 prosenttia. Älykkäät suunnittelijat käyttävät nyt useita erillisiä virta-alueita erottamaan korkeataajuuslaskentakomponentit niistä osista, jotka täytyy pitää koko ajan aktiivisina. Tämä lähestymistapa auttaa merkittävästi laitteiden akun käyttöajan pidentämisessä, kuten lääketieteellisissä kuljetettavissa laitteissa ja ympäristön seurantalaitteissa, joissa pitkäaikainen toiminta on ratkaisevan tärkeää. Erityisesti Bluetooth Low Energy -lähettimissä dynaamisen kynnystason säätäminen virtahallintapiirien (PMIC) suunnittelussa pidentää niiden käyttöikää noin 22 prosenttia ilman, että signaalin kantamaa heikennetään merkittävästi. Teollisuus on omaksunut näitä menetelmiä vaiheittain, kun valmistajat etsivät tapoja optimoida suorituskykyä uhraamatta luotettavuutta. Oikeiden virtahallintapiirien (PMIC) ja passiivisten komponenttien valintaan näissä suunnittelussa vaaditaan huolellista arviointia teknisistä ominaisuuksista ja saatavuudesta – alueilla, joissa jakelijat tarjoavat olennaista tukea teknisten tietojen ja näyteohjelmien avulla.

Sähköisen suorituskyvyn räätälöinti signaalin eheyden ja laitespesifisen luotettavuuden varmistamiseksi

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 joko niiden on sijoitettava tarkalleen suunnittelusääntöjen mukaisesti, jotta teho pysyy vakavana, vaikka kuormat muuttuisivat äkkinäisesti. Näiden kriittisten passiivisten komponenttien hankinta tiukilla toleransseilla ja luotettavilla toimitusaikoilla on juuri se alue, jossa jakelukumppanit tuovat merkittävää arvoa kehitysprosessiin.

Tapaus: Erittäin matalan virrankulutuksen räätälöidyn integroidun piirin suunnittelu kantavien terveydenhuoltojärjestelmien tarpeisiin

Tutkijat kehittivät jatkuvan verensokerin seurantajärjestelmän, joka voi toimia jopa 18 kuukautta yhdellä latauksella useiden älykkäiden suunnitteluratkaisujen ansiosta. Ensinnäkin he toteuttivat alavolttille toiminnalle suunniteltuja tekniikoita analogisen etupääpiirin piireissä, mikä vähensi merkittävästi virrankulutusta. Toiseksi he käyttivät aikajakoinen ADC-näytteenottoa, joka toimii synkronoidusti radiotaajuusryppäiden kanssa tiedonsiirron aikana. Kolmanneksi he integroivat piiriin aurinkoenergian keruuteknologian, joka voi tuottaa noin 15 mikrowattia jopa tavallisissa sisävalaistusolosuhteissa. Tuloksena syntyneen 40 nanometrin mukautetun integroidun piirin suorituskyky on myös vaikuttelevaa: se saavuttaa lähes 99,3 prosentin mittaus­tarkkuuden ja kuluttaa vain 3,2 mikroampeeria megahertsillä. Tämä edustaa noin kahden kolmasosan vähentymistä virrankulutuksessa verrattuna aiempiin samankaltaisten laitteiden versioihin. Tässä kehitystyössä luotettava pääsy insinöörimallien ja tuotantokomponenttien näytteisiin oli ratkaisevan tärkeää projektin aikataulun noudattamiseksi.

Fyysisen asettelun optimointi koon- ja lämpötilarajoitteisten laitteiden osalta

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:

• Reunatietoinen kerrosmallinnus, jolla maksimoidaan piirisirjan reunan hyötyä edistetyssä pakkausteollisuudessa

• Mukautuva virtapiiriverkko, joka reagoi dynaamisesti lämmön hajaantumisen vaatimuksiin

• Standardienmukainen RDL-reititys, jolla parannetaan valmistustuloksia 2,5D/3D-piireissä

Alalla tehtyjen ennusteiden mukaan 50 % uusista suorituskykyisistä tietokonepiireistä hyväksyy monipiirisirjarkkitehtuurit vuoteen 2025 mennessä, mikä johtuu tekoälykiihdyttimien kaistanleveyden vaatimuksista. Tämä siirtymä vaikuttaa kuluttajaelektroniikkaan, jossa suunnittelutiimit joutuvat tasapainottamaan UCIe-yhteensopivat liitännät lämmönhallinnan rajoitusten kanssa alle 7 mm:n laiteluokissa. Jakelupartnerin, joka ymmärtää näitä kehittyviä pakkausteknologioita ja pystyy hankkimaan sopivat välipiirit, alustat ja kokoonpanokomponentit, merkitys kasvaa entisestään.

Kolmansien osapuolten ja omien IP-lohkojen valinta ja integrointi räätälöidyissä SoC-piireissä

Valinta kolmannen osapuolen ja omaan IP:hen perustuvien ratkaisujen välillä sisältää kompromisseja markkinoille tuloajan ja suorituskyvyn erottelun välillä. Kaupallisella PCIe 6.0 - tai DDR5 -PHY-IP:llä voidaan kiihdyttää kehitystä autoteollisuuden ohjaimiin, kun taas räätälöidyt neuroverkkojen kiihdyttimet tarjoavat usein 2–3 kertaa paremman tehoeffektiivisyyden reuna-AI-sovelluksissa.

SoC-kehittäjien vuoden 2024 kysely paljasti seuraavia trendejä:

Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että standardoidut UCIe-liitännät vähentävät integraatioriskejä chiplet-pohjaisten suunnittelujen yhteydessä säilyttäen samalla suorituskyvyn. Teollisen automaation SoC-piireissä kaupallisen moottorinohjaus-IP:n yhdistäminen omaan turvallisuusmoduuliin mahdollistaa ASIL-D-yhteensopivuuden alle 2 W:n tehonkulutuksen sisältävissä ratkaisuissa. Jakelijat tukevat näitä toimia tarjoamalla pääsyn IP-toimittajien arviointialustoille, kehityspaketteihin ja tekniseen dokumentaatioon.

CAD/EDA-työkalujen hyödyntäminen ja kustannusten, riskien sekä ulkoisen tuen hallinta

CAD/EDA-työkalujen rooli räätälöityjen IC-piirien simuloinnissa, verifioinnissa ja synteesissä

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.

Ohjelmistosijoituksen arviointi: Tasapaino alkuperäisten kustannusten ja pitkän aikavälin tuoton välillä

Täysvarustellut EDA-järjestelmät voivat maksaa yrityksille jopa puoli miljoonaa dollaria vuodessa, mutta nykyään on saatavilla myös modulaarisia vaihtoehtoja, jotka skaalautuvat paremmin pienempien, juuri perustettavien yritysten tarpeisiin. Token-pohjaisen lisenssijärjestelmän avulla suunnittelutiimit voivat käyttää näitä kehittyneitä synteesityökaluja juuri silloin, kun niitä todella tarvitaan tärkeissä vaiheissa, kuten piirisuunnittelun aloittamisessa tai häiriövaikutusten käsittelyssä. Joitakin viime vuonna julkaistuja tutkimuksia mukaan keskikokoiset yritykset saavuttivat investointinsa tuoton lähes neljännesvuotta nopeammin, kun ne yhdistivät avoimen lähdekoodin projekteista saatavan ilmaisen verifiointiohjelmiston maksullisiin suunnittelutoimintoihin perustettujen toimittajien tarjoamista ohjelmistoista. Tämä hybridiratkaisu vaikuttaa toimivan hyvin monille kasvaville teknologiayrityksille tällä hetkellä. Jakelijat täydentävät näitä työkaluja tarjoamalla pääsyn komponenttikirjastoihin, viiteasuunnitelmiin ja sovellusmuistiin, joilla suunnitteluprosessia voidaan kiihdyttää.

Riskien hallinta prototyypityksen, testauksen ja uudelleenvalmistuksen välttämisen kautta

ASIC-kehityksen riskien minimoimiseksi keskeisiä strategioita ovat:

• Usean projektin wafer-prototyypit, jotka vähentävät NRE-kustannuksia 60–80 %

• Automaattinen testivektorien generointi, jolla saavutetaan toiminnallinen kattavuus yli 98 %

• Käyttökohtainen seuranta-IP-tietokomponentti aikaviolointen havaitsemiseksi karakterisoinnin aikana

Nämä menetelmät auttavat välttämään uusia suunnittelukierroksia (respins), jotka voivat viivästyttää markkinoille tuloa 14–22 viikkoa kohden maskipäivitystä. Tässä prosessissa luotettavan lähteen olemassaolo prototyyppimääristen tukevien komponenttien – kehityslautojen ohjelmointiadaptoireihin – saatavuudelle pitää projektit liikkeessä.

Ulkoisen suunnittelutuen ja valmistajakumppanuuksien hyödyntäminen startupeille ja pk-yrityksille

Uudet kehittäjät löytävät tien yli kahden miljoonan dollarin korkeiden aloituskustannusten ympäri käyttämällä ulkoisia suunnittelukeskuksia ja kuljetuspalveluita prototyyppien valmistukseen. ASIC-suunnitteluun erikoistuneet yritykset hoitavat nyt kaiken – alkaen piirisuunnittelusta ja päättyen lopullisten GDSII-tiedostojen luovuttamiseen. Lisäksi monet valmistajat ovat avanneet ovensa myös pienemmille toimijoille, tarjoamalla heille pääsyn edistyneisiin valmistusprosesseihin 12 nm:n ja 16 nm:n teknologioilla ilman, että heidän tarvitsee ensin sitoutua valtaviin tuotantomääriin. Tämä tarkoittaa pienille yrityksille sitä, että ne voivat todella keskittyä markkinoilleen ainutlaatuisen tuotteen kehittämiseen sen sijaan, että ne jäävät juurikasvattamaan kalliita infrastruktuureja alusta lähtien. Jakelijat, kuten SACOH, tukevat näitä toimia tarjoamalla hankintaketjuun liittyvää asiantuntemusta, komponenttien hankintapalveluita ja logistiikkatukea, mikä mahdollistaa suunnittelutiimien keskittymisen innovointiin eikä hankintahaasteisiin.

Sovelluslähtöiset räätälöidyt IC-siruratkaisut IoT:ssa, tekoälyssä, autoteollisuudessa ja teollisissa järjestelmissä

Räätälöityjen IC-sirujen käyttötapausten sovellukset IoT:ssa, reuna-AI:ssa, autoteollisuudessa ja teollisessa automaatiassa

Mukautetut integroidut piirit ratkaisevat kaikenlaisia erilaisia tarpeita nykyaikaisissa älyjärjestelmissä. Otetaan esimerkiksi IoT-reunalaite, jossa neuromorfiset suunnitteluratkaisut voivat vähentää tekoälyyn liittyvää prosessointikuormaa noin 80 prosenttia ilman merkittävää nopeuden menetystä, mikä pitää vastausajat alle kymmenen millisekunnin. Myös autoteollisuus on saavuttanut merkittäviä edistysaskeleita: niiden järjestelmäpiirit sisältävät nyt yhdessä piirissä yli viisitoista kehittyneen kuljettajan tukijärjestelmän toimintoa, mikä tarkoittaa, että autot havaitsevat esineitä noin neljäkymmentä prosenttia nopeammin itseohjautuvan ajoteknologian testausvaiheissa. Älä unohda myöskään teollisuusympäristöjä: kun valmistajat upottavat pienet MEMS-anturit suoraan mukautettuihin piireihinsä, ennakoivan huollon tarkkuus paranee erityisesti silloin, kun laitteisto värähtelee jatkuvasti. Käytännön kokeet osoittavat noin kolmanneksen paremman tarkkuuden näissä vaativissa olosuhteissa. Jokaisessa näistä sovelluksista on tärkeää, että jakelijalla on syvä ymmärrys erityisistä vaatimuksista ja kyky hankkia sopivia komponentteja – korkean luotettavuuden passiivikomponenteista erikoisliittimiin – mikä edistää onnistunutta toteutusta.

Tuotteiden erottaminen sovelluskohtaisilla SoC-piireillä kilpailullisilla markkinoilla

Valmistajat torjuvat markkinoiden tyytymättömyyttä käyttämällä pystysuoraan optimoituja SoC-piirejä, joissa on omaa salaus-, moottorin ohjaus- ja langatonta protokollaa varten suunniteltuja kiihdyttimiä. Vertailutestit osoittavat, että mukautetut matriisikertolaskuyksiköt suorittavat tekoälyä IoT-päätepisteissä neuralverkkojen käsittelyssä viisi kertaa tehokkaammin kuin yleiskäyttöiset GPU:t. Jakelijat tukevat tätä erottelua tarjoamalla pääsyn uusimpiin komponentteihin, tekniseen dokumentaatioon ja toimitusketjuun liittyviin ratkaisuihin, joiden avulla nämä erikoistuneet tuotteet saadaan tehokkaasti markkinoille.

Suorituskyvyn optimointi tekoälypäättelyn kiihdyttimille ja reaaliaikaisille ohjausjärjestelmille

Kovennetut FP16-ytimet ja mukautuva jännitteen säätö mahdollistavat lääketieteellisten kuvantamisjärjestelmien tunnistavan kasvaimet 30 % nopeammin ilman, että diagnostinen tarkkuus kärsii. Reaaliaikaiset teollisuuskontrollit, jotka käyttävät räätälöityjä integroituja piirejä, saavuttavat vastausajat alle 2 mikrosekunnissa turvallisuuskriittisiin pysäytystoimiin, mikä parantaa järjestelmän luotettavuutta tehtävissä, joissa luotettavuus on ratkaisevan tärkeää. Näissä vaativissa sovelluksissa komponenttien hankinta takauksin varmistettujen ominaisuuksien ja luotettavien toimitusaikataulujen kanssa säilyy edelleen olennaisena – arvo, jonka kokemukselliset jakelijat tarjoavat asiakkaillensa.