EN
Gyorslinkek
Az egyedi IC-chipek helyes megtervezése azon alapszik, hogy tényleg megértsük, mit is kell építeni. A mérnöki csapat szorosan együttműködik a termékfejlesztőkkel, hogy meghatározza például a fogyasztási célokat, amelyek többnyire az 1 watt alatt kell maradjanak az IoT-alkalmazások nagy részénél. Emellett meghatározzák a hőelvezetés és az alkalmazásonként specifikus teljesítmény-követelmények határait is. Például az autóipari rendszerek gyakran 10 nanomásodpercnél rövidebb jelfeldolgozási időt igényelnek. Egy 2023-as áttekintés az ASIC-fejlesztési trendekről érdekes dolgot mutatott: amikor a mérnökök elejétől kezdve világos, részletes specifikációkkal rendelkeznek, az esetek körülbelül négyötödénél sikeresen teljesítik a kezdeti tesztelési fázist. Ha ezt a lépést kihagyják, akkor viszont az első próbálkozás sikeressége drámaian lecsökken, mindössze körülbelül egyharmadra.
A mérnöki csapatok gyakran moduláris tervezési megközelítést alkalmaznak, amikor feldolgozómagokat, például RISC-V vagy ARM architektúrákat, valamint a végtermék igényeinek megfelelő memóriarendszereket és bemeneti/kimeneti kapcsolatokat állítanak össze. Az ipari automatizálásban használt chipek esetében több fontos szempont is felmerül. A biztonság elsődleges fontosságú, ezért a tervezők tartalék áramköröket építenek be, amelyek megfelelnek az ISO 13849 szabványnak. A valós idejű jelfeldolgozás képessége egy másik elengedhetetlen funkció. Emellett ezeknek az alkatrészeknek megbízhatóan kell működni extrém körülmények között is, hibamentesen működve mínusz 40 Celsius-foktól egészen plusz 125 Celsius-fokig.
Miután az architektúrát érvényesítették, a mérnökök áttérnek az HDL kódolásra, szimulációk futtatására és a fizikai elrendezés optimalizálására különféle eszközökkel, köztük a Cadence Innovus segítségével. Az elektromágneses zavarok (EMI) ellenőrzése és a hőmérsékleti elemzés korai elvégzése több prototípus-iteráció során csökkentheti a költséges újragyártásokat később. A legtöbb gyártó körülbelül 12–18 hét alatt képes leszállítani az első szilíciumchipeket, ezért a kiadás előtti alapos ellenőrzés olyan kritikus a projekt határidőinek és költségvetésének szempontjából.
A 2024-es Embedded Systems jelentés legfrissebb adatai szerint az adaptív feszültségszabályozás és az órajel-kapuzás kombinációja körülbelül 70 százalékkal csökkentheti az alapáram-fogyasztást az IoT-érzékelőcsomópontokban. Az okos tervezők jelenleg több teljesítménytartományt alkalmaznak, hogy elkülönítsék a magas frekvenciájú számítási komponenseket azoktól a részektől, amelyeknek állandóan aktívaknak kell maradniuk. Ez a megközelítés jelentősen hozzájárul az akkumulátor élettartamának meghosszabbításához olyan eszközökben, mint az orvosi viselhető technológiák és a környezeti monitorozó berendezések, ahol a hosszú távú működés kritikus fontosságú. Kifejezetten a Bluetooth alacsonyenergiás adók esetében a PMIC-tervezésekben dinamikusan állított küszöbértékek közel 22 százalékkal meghosszabbítják az üzemidőt, miközben megfelelő jelelérhetőséget is biztosítanak. Az iparág fokozatosan átveszi ezeket a módszereket, ahogy a gyártók az optimális teljesítmény elérése után kutatnak anélkül, hogy feláldoznák a megbízhatóságot.
Ha a csomagokat és a hozzájuk tartozó áramköröket együttesen tervezzük meg, a jelminőség valójában javul, mivel figyelembe vehetjük a zavaró csomagparazitákat a chipen lévő lezáró hálózatokkal együtt. Kifejezetten impedanciamérésre hangolt bemeneti/kimeneti bufferrel rendelkező egyedi integrált áramkör-tervek már azt is bizonyították, hogy jelentősen csökkenthetik az elektromágneses zavarokat. Egy 2023-as iparági referenciaprojekt kimutatta, hogy ezek a speciális tervezések körülbelül 41%-kal csökkentették az EMI-t a szabványos késztermékekhez képest. Motorvezérlési alkalmazások esetén integrált áramkörök , a hőkezelés szintén nagyon fontossá válik. A megfelelő hőtervezés segít megakadályozni a kellemetlen melegedési pontok kialakulását. És ne feledkezzünk meg a kis decoupling kondenzátorokról sem: főberendezések ezeket pontosan a tervezési szabályoknak megfelelően kell elhelyezni, hogy a tápfeszültség stabil maradjon akkor is, ha a terhelés hirtelen változik.
A kutatók olyan folyamatos glükózszint-megfigyelő rendszert fejlesztettek ki, amely több okos tervezési döntésnek köszönhetően akár 18 hónapon keresztül is működhet egyetlen töltéssel. Először is, alacsonyabb küszöbértékű működtetési technikákat alkalmaztak az analóg előtéri áramkörökben, amelyek jelentősen csökkentik az energiafogyasztást. Másodszor, időosztásos ADC-mintavételezést használtak, amely szinkronban működik a rádiófrekvenciás adatátviteli impulzusokkal. Harmadszor pedig beépítettek egy chipes napelemgyűjtő technológiát, amely akár közönséges beltéri világítás mellett is körülbelül 15 mikrowattot képes előállítani. Az eredményként létrejött 40 nanométeres speciális integrált áramkör is lenyűgöző eredményeket ér el: majdnem 99,3 százalékos mérési pontosságot biztosítva mindössze 3,2 mikroamper fogyasztással megahertzenként. Ez körülbelül a másik két harmadát jelenti az energiafogyasztásnak az előző verziókhoz képest hasonló eszközök esetében.
Amikor olyan hordozható és IoT-eszközökről van szó, ahol a hely korlátozott, és a hőelvezetés különösen fontos, az előrehaladott elrendezési technikák elengedhetetlenek. Napjainkban sok mérnök a 3DIC-rétegzést és a mikrovia-technológiát alkalmazza, mivel ezek csökkentik az eszközök méretét, miközben a jelek tisztaságát és erősségét is megőrzik. Egy 2023-as tanulmány azt vizsgálta, hogyan befolyásolja a rézoszlopok stratégiai elhelyezése a System-in-Package terveket. Az eredmény? A melegedési pontok körülbelül 34%-kal csökkentek a szokványos elrendezésekhez képest. Elég lenyűgöző eredmény, figyelembe véve, hogy a technológia fejlődésével mennyire sűrűbbé válik az alkatrészek elhelyezése.
A kritikus technikák a következők:
Az iparági előrejelzések szerint 2025-re az új, nagy teljesítményű számítástechnikai chipek tervezésének 50%-a több die-ből álló architektúrára vált, elsősorban az AI gyorsítók sávszélesség-igénye miatt. Ez a változás érinti a fogyasztási cikkeket is, ahol a tervezőcsapatoknak egyensúlyt kell teremteniük az UCIe-kompatibilis összeköttetések és a 7 mm alatti készülékek hőmérsékleti korlátai között.
A harmadik féltől származó és a tulajdonosi IP közötti választás piaci megjelenési sebesség és teljesítménybeli differenciálódás közötti kompromisszumot jelent. A kereskedelmi PCIe 6.0 vagy DDR5 PHY IP felgyorsítja az autóipari vezérlők fejlesztését, míg az egyedi neurális hálózati gyorsítók gyakran 2–3-szor jobb energiahatékonyságot nyújtanak az edge AI alkalmazásokban.
Egy 2024-es felmérés SoC-fejlesztők körében a következő tendenciákat mutatta ki:
| Integrációs módszer | Átlagos fejlesztési idő | Teljesítményfogyasztás optimalizálásának rugalmassága |
|---|---|---|
| Harmadik féltől származó IP | 7,2 hónap | 38% |
| Egyedi IP | 11,5 hónap | 81% |
A legújabb tanulmányok szerint az egységesített UCIe interfészek csökkentik az integrációs kockázatokat a chiplet-alapú tervezésekben, miközben fenntartják a teljesítményt. Az ipari automatizálási SoC-knál a kereskedelmi motorvezérlési IP és a saját biztonsági modulok kombinálása lehetővé teszi az ASIL-D megfelelőséget al-2W-os teljesítménykeretek mellett.
A mai EDA eszközök körülbelül a szimulációs és ellenőrzési munka során fellépő unalmas, ismétlődő feladatok 70%-át kezelik, ami jelentősen felgyorsítja az egyedi IC-fejlesztést. A platformok lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy teszteljék a teljesítményt extrém terhelés alatt, valamint finomhangolják a jelvezetékeket, így azok megbízhatóan működjenek a valós körülmények között. Az iparági elemzők által készített legfrissebb, 2024-es EDA Tools jelentés szerint a vállalatok, amelyek ezeket az integrált rendszereket használják, körülbelül 43%-os csökkenést érnek el a gyártás utáni hibákban a beépített tervezési szabályellenőrzés és a javított hőmodellezési képességek köszönhetően. Ez logikus, hiszen a korai hibafelismerés időt és pénzt takarít meg mindenki számára a jövőben.
A teljes funkcionalitású EDA rendszerek évente akár fél millió dollárba is kerülhetnek, bár ma már elérhetők moduláris megoldások is, amelyek jobban skálázhatók a kisebb, újonnan indult vállalkozások számára. A tokenalapú licencelésnek köszönhetően a mérnöki csapatok valójában akkor használhatják ezeket a kifinomult szintetizáló eszközöket, amikor tényleg szükségük van rájuk, például chiplayout beállítása vagy parazita hatások kezelése során. Előző évben közzétett kutatások szerint közepes méretű vállalatok majdnem egy negyedével gyorsabban érték el megtérülésüket, amikor az open source projektekből származó ingyenes verifikációs szoftvereket kombinálták a meglévő szolgáltatóktól vásárolt fizetős layout programokkal. Ez a hibrid megközelítés jelenleg sok növekvő technológiai vállalatnál jól működik.
Fő stratégiai irányelvek az ASIC-fejlesztési kockázatok minimalizálásához:
Ezek a módszerek segítenek elkerülni az újragyártásokat, amelyek maszkfelülvizsgálatonként 14–22 héttel késleltethetik a piacra kerülést.
A új fejlesztők különféle módokat találnak arra, hogyan kerüljék el a korábban kéttől több millió dollárba kerülő indítási költségeket, kívülről szerződött tervezőközpontokat és prototípus-szállítási szolgáltatásokat használva. A speciális integrált áramkörökkel (ASIC) foglalkozó vállalatok ma már kezelik az egész folyamatot, a chiptervezettség meghatározásától egészen a végső GDSII fájlok átadásáig. Számos gyártó már megnyitotta kapuit a kisebb szereplők előtt is, lehetővé téve számukra a 12 nm-es és 16 nm-es előrehaladott gyártási eljárásokhoz való hozzáférést anélkül, hogy először hatalmas termelési sorozatokhoz kellene kötelezniük magukat. Ennek köszönhetően a kisvállalkozások valóban időt fordíthatnak egyedi piaci megoldások létrehozására, ahelyett hogy drága infrastruktúra építésével bajlódnának.
Az egyedi integrált áramkörök számos különböző igényt kielégítenek a modern intelligens rendszerekben. Vegyük például az IoT perifériás eszközöket, ahol a neuromorf tervezés akár 80 százalékkal is csökkentheti az AI-feldolgozási igényeket, miközben alig veszít sebességből, és a válaszidőt tíz milliszekundum alatt tartja. A gépjárműipar is nagy előrelépést ért el. Rendszerük a chipen most már több mint tizenöt fejlett sofőrtámogató funkciót foglal magában egyetlen chipegységbe, ami azt jelenti, hogy a járművek az önvezető technológia tesztelése során körülbelül negyven százalékkal gyorsabban képesek felismerni tárgyakat. De ne feledkezzünk meg az ipari környezetekről sem. Amikor a gyártók közvetlenül beépítik ezeket a miniatűr MEMS-érzékelőket saját egyedi chipeikbe, valójában növelik a prediktív karbantartás pontosságát, különösen olyan eszközök esetében, amelyek folyamatosan rezegnek. A gyakorlati tesztek azt mutatják, hogy ilyen nehéz körülmények között a pontossági ráta körülbelül egyharmaddal javul.
A gyártók a piaci telítettség elleni küzdelemben függőlegesen optimalizált SoC-kat vetnek be, amelyek rendelkeznek saját gyorsítókkal titkosításhoz, motorvezérléshez és vezeték nélküli protokollokhoz. A tesztek szerint az egyedi mátrixszorzó egységek 5-ször nagyobb neurális hálózati átviteli sebességgel működnek, mint az általános célú GPU-k az AIoT végpontokon.
A megerősített FP16 magok és az adaptív feszültségszabályozás lehetővé teszik az orvosi képalkotó rendszerek számára, hogy 30%-kal gyorsabban észleljék a daganatokat anélkül, hogy csökkennének a diagnosztikai pontosságban. A testreszabott IC-ket használó ipari valós idejű vezérlők biztonságkritikus leállítási műveletek esetén 2¼ másodpercen belüli válaszidőt érnek el, ezzel növelve a rendszerek megbízhatóságát missziókritikus alkalmazásokban.