अनूठी उपकरण आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए कस्टम आईसी चिप के डिज़ाइन के लिए सुझाव

कस्टम आईसी चिप विकास के लिए उत्पाद विनिर्देश और प्रणाली आवश्यकताओं को परिभाषित करना

कस्टम आईसी चिप्स को सही तरीके से बनाना यह समझने से शुरू होता है कि वास्तव में क्या बनाने की आवश्यकता है। इंजीनियरिंग टीम उत्पाद डेवलपर्स के साथ करीबी से काम करती है ताकि ऊर्जा खपत के लक्ष्यों जैसी चीजों को समझा जा सके, जो आमतौर पर अधिकांश आईओटी अनुप्रयोगों के लिए 1 वाट से कम रहने की आवश्यकता होती है। वे प्रत्येक अनुप्रयोग के लिए विशिष्ट ऊष्मा अपव्यय और प्रदर्शन आवश्यकताओं के आसपास सीमाएँ भी निर्धारित करते हैं। उदाहरण के लिए, ऑटोमोटिव सिस्टम में अक्सर 10 नैनोसेकंड से कम सिग्नल प्रोसेसिंग समय की आवश्यकता होती है। 2023 के एएसआईसी विकास रुझानों पर एक हालिया नज़र ने एक दिलचस्प बात दिखाई: जब इंजीनियरों के पास शुरुआत में ही स्पष्ट, विस्तृत विनिर्देश होते हैं, तो लगभग पांच में से चार परियोजनाएँ अपने प्रारंभिक परीक्षण चरण में सफलतापूर्वक उत्तीर्ण हो जाती हैं। लेकिन इस चरण को छोड़ दें? तो फिर पहले प्रयास में सफलता की संभावना तेजी से घटकर लगभग एक तिहाई रह जाती है।

लक्ष्य अनुप्रयोगों के लिए वास्तुकला योजना और कार्यात्मक ब्लॉक अनुकूलन

इंजीनियरिंग टीमें अक्सर RISC-V या ARM जैसे प्रोसेसिंग कोर्स के साथ-साथ मेमोरी सिस्टम और इनपुट/आउटपुट कनेक्शन को अंतिम उत्पाद की आवश्यकताओं के अनुरूप डिज़ाइन करने के लिए मॉड्यूलर डिज़ाइन दृष्टिकोण का उपयोग करती हैं। औद्योगिक स्वचालन में उपयोग होने वाले चिप्स के लिए कई महत्वपूर्ण बातों पर विचार किया जाता है। सुरक्षा सर्वोच्च प्राथमिकता है, इसलिए डिज़ाइनर ISO 13849 मानकों को पूरा करने वाले बैकअप सर्किट शामिल करते हैं। रीयल-टाइम सिग्नल प्रोसेसिंग क्षमताएँ एक अन्य आवश्यक विशेषता हैं। और इन घटकों को चरम परिस्थितियों में भी विश्वसनीय ढंग से काम करने की आवश्यकता होती है, बिना विफल हुए शून्य से घटकर 40 डिग्री सेल्सियस के तापमान से लेकर धनात्मक 125 डिग्री सेल्सियस तक सही ढंग से कार्य करना चाहिए।

डिज़ाइन एंट्री से लेकर सिलिकॉन फैब्रिकेशन तक: आधुनिक आईसी वर्कफ़्लो की नौकायन

एक बार जब संरचना को मान्य कर लिया जाता है, तो इंजीनियर एचडीएल कोडिंग पर आगे बढ़ते हैं, सिमुलेशन चलाते हैं और कैडेंस इनोवस सहित विभिन्न उपकरणों का उपयोग करके भौतिक लेआउट को अनुकूलित करते हैं। प्रक्रिया के आरंभ में ही कई प्रोटोटाइप पुनरावृत्तियों के माध्यम से विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप (EMI) जांच और तापीय विश्लेषण कर लेने से बाद में महंगे रीस्पिन्स की संख्या कम की जा सकती है। अधिकांश फाउंड्रियाँ पहला सिलिकॉन चिप डिलीवर करने में लगभग 12 से 18 सप्ताह का समय लेती हैं, जिसके कारण टेपआउट से पहले व्यापक सत्यापन परियोजना के समयसीमा और बजट नियंत्रण के लिए इतना महत्वपूर्ण बना हुआ है।

कस्टम आईसी चिप्स में शक्ति दक्षता और विद्युत प्रदर्शन का अनुकूलन

बैटरी से चलने वाली और आईओटी डिवाइस के लिए शक्ति खपत अनुकूलन रणनीतियाँ

2024 के नवीनतम एम्बेडेड सिस्टम रिपोर्ट के अनुसार, आईओटी सेंसर नोड्स में लगभग 70 प्रतिशत तक निष्क्रिय धारा खपत कम करने के लिए अनुकूली वोल्टेज स्केलिंग और क्लॉक गेटिंग जैसी तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है। स्मार्ट डिज़ाइनर अब उच्च आवृत्ति वाले कंप्यूटिंग घटकों को उन भागों से अलग करने के लिए कई बिजली डोमेन लागू कर रहे हैं जिन्हें हमेशा सक्रिय रहने की आवश्यकता होती है। इस दृष्टिकोण से उन उपकरणों में बैटरी जीवन को बढ़ाने में वास्तविक सहायता मिलती है जैसे मेडिकल वियरेबल तकनीक और पर्यावरणीय निगरानी उपकरण जहां दीर्घकालिक संचालन महत्वपूर्ण है। विशेष रूप से ब्लूटूथ लो एनर्जी ट्रांसमीटर के मामले में, PMIC डिज़ाइन में थ्रेशहोल्ड को गतिशील रूप से समायोजित करने से संकेत पहुंच की दूरी को अच्छी तरह बनाए रखते हुए संचालन के दौरान उनका जीवन लगभग 22% तक बढ़ जाता है। उद्योग धीरे-धीरे इन विधियों को अपना रहा है क्योंकि निर्माता विश्वसनीयता के बलिदान के बिना प्रदर्शन को अनुकूलित करने के तरीके ढूंढ रहे हैं।

सिग्नल अखंडता और उपकरण-विशिष्ट विश्वसनीयता के लिए विद्युत प्रदर्शन को अनुकूलित करना

पैकेज और उनके संबद्ध परिपथों को एक साथ डिज़ाइन करते समय, सिग्नल गुणवत्ता वास्तव में बेहतर हो जाती है क्योंकि हम चिप पर समाप्ति नेटवर्क के साथ-साथ पैकेज के पैरासिटिक्स को भी ध्यान में रख सकते हैं। इम्पीडेंस मिलानित इनपुट/आउटपुट बफर शामिल कुछ कस्टम एकीकृत परिपथ डिज़ाइनों में विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को काफी कम करने की क्षमता दिखाई गई है। 2023 में एक हालिया उद्योग बेंचमार्क में पाया गया कि इन विशेष डिज़ाइनों ने मानक ऑफ-द-शेल्फ विकल्पों की तुलना में ईएमआई में लगभग 41% की कमी की। मोटर नियंत्रण अनुप्रयोग विशिष्ट एकीकृत सर्किट , तापीय प्रबंधन भी बहुत महत्वपूर्ण हो जाता है। अच्छी तापीय योजना उन परेशान करने वाले गर्म स्थानों के बनने से रोकने में मदद करती है। और आइए उन छोटे डिकपलिंग को न भूलें संधारित्र या तो उन्हें डिज़ाइन नियमों के अनुसार ठीक से रखने की आवश्यकता होती है ताकि भार अचानक बदलने पर भी बिजली स्थिर रहे।

केस अध्ययन: वियरेबल हेल्थकेयर सिस्टम के लिए अल्ट्रा-लो-पावर कस्टम आईसी चिप डिज़ाइन

शोधकर्ताओं ने एक निरंतर ग्लूकोज मॉनिटरिंग प्रणाली विकसित की है जो कई समझदारीपूर्ण डिज़ाइन चयन के कारण एक बार चार्ज करने पर लगभग 18 महीने तक चल सकती है। सबसे पहले, उन्होंने एनालॉग फ्रंट एंड सर्किट में सबथ्रेशोल्ड ऑपरेशन तकनीक लागू की, जिससे ऊर्जा खपत में भारी कमी आई। दूसरा, उन्होंने समय-अंतरालित एडीसी सैंपलिंग का उपयोग किया जो डेटा ट्रांसमिशन के दौरान रेडियो आवृत्ति बर्स्ट के साथ समनुक्रमित रूप से काम करता है। और तीसरा, उन्होंने चिप पर सौर ऊर्जा संग्रहण तकनीक को शामिल किया जो सामान्य आंतरिक प्रकाश स्थितियों के संपर्क में आने पर लगभग 15 माइक्रोवाट ऊर्जा उत्पन्न कर सकता है। परिणामी 40 नैनोमीटर की अनुकूलित एकीकृत परिपथ भी उल्लेखनीय परिणाम देता है - लगभग 99.3 प्रतिशत माप शुद्धता प्राप्त करते हुए केवल 3.2 माइक्रोऐम्पियर प्रति मेगाहर्ट्ज खींचता है। इससे समान उपकरणों के पिछले संस्करणों की तुलना में लगभग दो-तिहाई तक ऊर्जा खपत में कमी आती है।

आकार और तापीय रूप से सीमित उपकरणों के लिए भौतिक लेआउट का अनुकूलन

जहां वियरेबल्स और आईओटी डिवाइसेज़ की बात आती है, जहां स्थान की कमी होती है और ऊष्मा प्रबंधन महत्वपूर्ण होता है, उन्नत लेआउट तकनीकें पूरी तरह से महत्वपूर्ण हो जाती हैं। आजकल कई इंजीनियर 3DIC स्टैकिंग और माइक्रोविया तकनीक जैसी चीजों की ओर रुख करते हैं क्योंकि वे कुल मिलाकर फुटप्रिंट को छोटा कर सकते हैं, जबकि संकेतों को साफ और मजबूत बनाए रख सकते हैं। 2023 में किए गए कुछ हालिया शोध में System-in-Package डिज़ाइन में रणनीतिक रूप से तांबे के स्तंभ लगाने के प्रभाव को देखा गया। परिणाम? मानक लेआउट में देखे जाने वाले हॉटस्पॉट्स में लगभग 34% की कमी आई। तकनीक के आगे बढ़ने के साथ-साथ घटकों के अधिक घने पैकिंग को ध्यान में रखते हुए यह काफी प्रभावशाली है।

महत्वपूर्ण तकनीकों में शामिल हैं:

• सीमा-जागरूक फ्लोरप्लानिंग उन्नत पैकेजिंग में डाई-एज उपयोग को अधिकतम करने के लिए
• अनुकूली पावर मेष डिज़ाइन जो ऊष्मा अपव्यय की आवश्यकताओं के प्रति गतिशील रूप से प्रतिक्रिया करता है
• मानक-अनुरूप RDL रूटिंग 2.5D/3D ICs में निर्माण उपज में सुधार के लिए

उद्योग के अनुमान बताते हैं कि 2025 तक नए उच्च-प्रदर्शन वाले कंप्यूटिंग चिप डिज़ाइन में से 50% एआई एक्सेलेरेटर बैंडविड्थ की मांग के कारण मल्टी-डाइ आर्किटेक्चर अपना लेंगे। इस परिवर्तन का उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स पर प्रभाव पड़ता है, जहां डिज़ाइन टीमों को उप-7मिमी डिवाइस प्रोफाइल में थर्मल सीमाओं के विरुद्ध UCIe-अनुरूप इंटरकनेक्ट्स का संतुलन बनाना होता है।

कस्टम SoC में थर्ड-पार्टी बनाम स्वामित्व वाले IP ब्लॉक्स का चयन और एकीकरण

थर्ड-पार्टी और स्वामित्व वाले IP के बीच चयन में बाज़ार में तेज़ी से प्रवेश और प्रदर्शन में भिन्नता के बीच समझौता शामिल होता है। वाणिज्यिक PCIe 6.0 या DDR5 PHY IP ऑटोमोटिव नियंत्रकों के लिए विकास को तेज़ करता है, जबकि कस्टम न्यूरल नेटवर्क एक्सेलेरेटर अक्सर एज एआई अनुप्रयोगों में 2–3 बेहतर शक्ति दक्षता प्रदान करते हैं।

SoC डेवलपर्स के एक 2024 सर्वेक्षण ने निम्नलिखित प्रवृत्तियां दिखाई:

एकीकरण दृष्टिकोण	औसत विकास समय	ऊर्जा अनुकूलन लचीलापन
थर्ड-पार्टी IP	7.2 महीने	38%
कस्टम IP	11.5 महीने	81%

हाल के अध्ययनों से पता चलता है कि चिपलेट-आधारित डिज़ाइन में एकीकरण के जोखिम को कम करने के साथ-साथ प्रदर्शन बनाए रखने के लिए मानकीकृत UCIe इंटरफ़ेस का उपयोग किया जाता है। औद्योगिक स्वचालन SoC में व्यावसायिक मोटर नियंत्रण IP को विशिष्ट सुरक्षा मॉड्यूल के साथ जोड़ने से उप-2W बिजली आवरण के भीतर ASIL-D अनुपालन सक्षम होता है।

CAD/EDA उपकरणों का उपयोग करना और लागत, जोखिम और बाहरी सहायता का प्रबंधन करना

अनुकूलित आईसी चिप्स के अनुकरण, सत्यापन और संश्लेषण में CAD/EDA उपकरणों की भूमिका

आज के ईडीए टूल्स सिमुलेशन और सत्यापन कार्य के दौरान उबाऊ दोहराव वाले कार्यों में से लगभग 70% को संभालते हैं, जो कस्टम आईसी विकास के लिए चीजों को वास्तव में तेज कर देता है। ये प्लेटफॉर्म इंजीनियरों को चरम स्थितियों तक धकेले जाने पर बिजली के स्तर का परीक्षण करने और सिग्नल पथों को इस तरह से सुधारने की अनुमति देते हैं कि वे वास्तविक दुनिया की स्थितियों में विश्वसनीय ढंग से काम करें। उद्योग विश्लेषकों की नवीनतम 2024 ईडीए टूल्स रिपोर्ट के अनुसार, इन एकीकृत प्रणालियों का उपयोग करने वाली कंपनियों को निर्माण के बाद डिज़ाइन नियम जाँच और बेहतर तापीय मॉडलिंग क्षमताओं के कारण लगभग 43% तक त्रुटियों में कमी देखने को मिलती है। यह तब समझ में आता है जब शुरुआत में ही समस्याओं को पकड़ लिया जाता है, जो आगे चलकर सभी के लिए समय और धन बचाता है।

सॉफ्टवेयर निवेश का मूल्यांकन: प्रारंभिक लागत और दीर्घकालिक आरओआई के बीच संतुलन

पूर्ण सुविधा युक्त EDA प्रणालियाँ प्रत्येक वर्ष आधे मिलियन डॉलर तक की कंपनियों को चला सकती हैं, हालांकि अब मॉड्यूलर विकल्प उपलब्ध हैं जो नई स्थापित हो रही छोटी कंपनियों के लिए बेहतर पैमाने पर काम करते हैं। टोकन-आधारित लाइसेंसिंग के साथ, इंजीनियरिंग टीमें वास्तव में उन शानदार संश्लेषण उपकरणों का उपयोग कर सकती हैं जब उन्हें चिप लेआउट सेट करने या अवांछित प्रभावों से निपटने जैसे महत्वपूर्ण चरणों के दौरान वास्तव में आवश्यकता होती है। पिछले साल प्रकाशित कुछ अनुसंधान के अनुसार, मध्यम आकार की कंपनियों ने खुले स्रोत परियोजनाओं से मुफ्त सत्यापन सॉफ्टवेयर को स्थापित विक्रेताओं के भुगतान योग्य लेआउट प्रोग्रामों के साथ जोड़ने पर लगभग एक चौथाई समय पहले अपने निवेश पर रिटर्न प्राप्त किया। वर्तमान में कई बढ़ती टेक फर्मों के लिए यह संकर दृष्टिकोण अच्छी तरह से काम कर रहा है।

प्रोटोटाइपिंग, परीक्षण और रीस्पिन से बचाव के माध्यम से जोखिम कम करना

एएसआईसी विकास में जोखिम को कम करने के लिए प्रमुख रणनीतियाँ शामिल हैं:

• बहु-परियोजना वेफर प्रोटोटाइप , NRE लागत में 60–80% की कमी करना
• स्वचालित परीक्षण वेक्टर उत्पादन , 98% से अधिक कार्यात्मक कवरेज प्राप्त करना
• विश्लेषण के दौरान समयकाल उल्लंघन का पता लगाने हेतु स्थानीय निगरानी आईपी विशेषता निर्धारण के दौरान समयकाल उल्लंघन का पता लगाने के लिए

ये विधियाँ रीस्पिन से बचने में सहायता करती हैं, जो प्रत्येक मास्क संशोधन के लिए बाजार में आने के समय को 14–22 सप्ताह तक देरी से कर सकती हैं।

स्टार्टअप और एसएमइ के लिए बाह्य डिज़ाइन सहायता तथा फाउंड्री साझेदारी तक पहुँच

नए डेवलपर्स उन ऊंची शुरुआती लागतों के आसपास के तरीके ढूंढ रहे हैं, जो पहले दो मिलियन डॉलर से अधिक हुआ करती थी, बाहरी डिज़ाइन केंद्रों और प्रोटोटाइप के लिए शिपिंग सेवाओं का उपयोग करके। एएसआईसी में विशेषज्ञता वाली कंपनियां अब चिप आर्किटेक्चर तय करने से लेकर अंतिम जीडीएसआईआई फाइलों को सौंपने तक सब कुछ संभाल रही हैं। और कई फाउंड्रियों ने छोटे खिलाड़ियों के लिए भी अपने दरवाजे खोल दिए हैं, जिससे उन्हें विशाल उत्पादन चक्रों के लिए पहले प्रतिबद्ध हुए बिना 12nm और 16nm पर उन्नत निर्माण प्रक्रियाओं तक पहुंच मिल रही है। इसका छोटे व्यवसायों के लिए यह अर्थ है कि वे महंगी बुनियादी ढांचे को शुरू से बनाने की कोशिश में उलझे बिना वास्तव में अपने बाजार के लिए कुछ अद्वितीय बनाने में समय बिता सकते हैं।

आईओटी, एआई, ऑटोमोटिव और औद्योगिक प्रणालियों में अनुप्रयोग-संचालित कस्टम आईसी चिप समाधान

आईओटी, एज एआई, ऑटोमोटिव और औद्योगिक स्वचालन में कस्टम आईसी चिप के उपयोग के मामले

आधुनिक स्मार्ट प्रणालियों में विभिन्न प्रकार की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए कस्टम एकीकृत परिपथों का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, आईओटी एज डिवाइस, जहां न्यूरोमॉर्फिक डिज़ाइन एआई प्रोसेसिंग की आवश्यकताओं को लगभग 80 प्रतिशत तक कम कर सकते हैं, बिना गति में खास कमी के, और प्रतिक्रिया का समय दस मिलीसेकंड से कम रख सकते हैं। ऑटोमोटिव उद्योग ने भी बड़ी प्रगति की है। उनके सिस्टम ऑन चिप अब एक ही चिप पर पंद्रह से अधिक उन्नत ड्राइवर सहायता सुविधाओं को शामिल करते हैं, जिसका अर्थ है कि स्वचालित ड्राइविंग तकनीक के परीक्षण के दौरान कारें वस्तुओं का पता लगभग 40 प्रतिशत तेज़ी से लगा पाती हैं। औद्योगिक क्षेत्रों को भी नज़रअंदाज़ न करें। जब निर्माता अपने कस्टम चिप्स के अंदर सीधे छोटे MEMS सेंसर एम्बेड करते हैं, तो वे वास्तव में भविष्यवाणी रखरखाव की सटीकता में सुधार करते हैं, विशेष रूप से जब उपकरण लगातार कंपन कर रहे हों। वास्तविक दुनिया के परीक्षणों में इन कठिन परिस्थितियों में लगभग एक तिहाई बेहतर सटीकता दर देखी गई है।

प्रतिस्पर्धी बाजारों में अनुप्रयोग-विशिष्ट SoC के साथ उत्पादों का अंतर

निर्माता एन्क्रिप्शन, मोटर नियंत्रण और वायरलेस प्रोटोकॉल के लिए विशिष्ट एक्सेलेरेटर के साथ ऊर्ध्वाधर अनुकूलित SoC तैनात करके बाजार संतृप्ति से निपटते हैं। बेंचमार्क दिखाते हैं कि AIoT एंडपॉइंट्स पर न्यूरल नेटवर्क के थ्रूपुट में सामान्य उद्देश्य वाले GPU की तुलना में कस्टम मैट्रिक्स गुणन इकाइयाँ 5 गुना अधिक प्रदर्शन करती हैं।

AI इन्फेरेंस एक्सेलेरेटर और रीयल-टाइम नियंत्रण प्रणालियों के लिए प्रदर्शन अनुकूलन

हार्डनेड FP16 कोर और अनुकूली वोल्टेज स्केलिंग के कारण चिकित्सा इमेजिंग प्रणालियाँ नैदानिक परिशुद्धता को कम किए बिना 30% तेजी से ट्यूमर का पता लगा सकती हैं। कस्टम IC का उपयोग करने वाले रीयल-टाइम औद्योगिक नियंत्रक सुरक्षा-आधारित शटडाउन संचालन में 2¼ सेकंड से कम प्रतिक्रिया समय प्राप्त करते हैं, जो मिशन-आधारित अनुप्रयोगों में प्रणाली की विश्वसनीयता में वृद्धि करता है।