EN
Быстрые ссылки
Правильное создание специализированных интегральных схем начинается с глубокого понимания того, что именно необходимо построить. Инженерная команда тесно сотрудничает с разработчиками продукции, чтобы определить такие параметры, как целевые показатели энергопотребления, которые обычно должны оставаться ниже 1 ватта для большинства приложений Интернета вещей. Они также устанавливают ограничения по рассеиванию тепла и требования к производительности, специфичные для каждого конкретного применения. Например, автомобильные системы зачастую требуют времени обработки сигналов менее 10 наносекунд. Недавний анализ тенденций в разработке ASIC за 2023 год показал интересную закономерность: когда у инженеров есть чёткие и детальные технические спецификации с самого начала, примерно четыре из пяти проектов успешно проходят начальный этап тестирования. Но если этот этап пропустить, вероятность успеха с первой попытки резко падает — всего до примерно одной трети.
Инженерные команды часто применяют модульный подход при создании вычислительных ядер, таких как RISC-V или ARM, а также систем памяти и интерфейсов ввода/вывода, соответствующих требованиям конечного продукта. При разработке микросхем для промышленной автоматизации необходимо учитывать несколько важных факторов. Прежде всего, это безопасность, поэтому проектировщики внедряют резервные цепи, соответствующие стандарту ISO 13849. Еще одной обязательной характеристикой является возможность обработки сигналов в реальном времени. Кроме того, компоненты должны надежно работать даже в экстремальных условиях, сохраняя работоспособность в диапазоне температур от минус 40 градусов Цельсия до плюс 125 градусов Цельсия.
После подтверждения архитектуры инженеры переходят к написанию кода на HDL, запускают моделирование и оптимизируют физическую компоновку с использованием различных инструментов, включая Cadence Innovus. Проведение проверок электромагнитных помех (EMI) и теплового анализа на ранних этапах процесса путем нескольких итераций прототипирования позволяет сократить затраты на повторные выпуски кристаллов позже. Большинство полупроводниковых производственных мощностей тратят около 12–18 недель на изготовление первого чипа, поэтому тщательное верификация перед выходом на маску остаётся критически важной для соблюдения сроков проекта и контроля бюджета.
Согласно последнему отчету о встраиваемых системах за 2024 год, такие методы, как адаптивное масштабирование напряжения в сочетании с тактовым затвором, могут сократить потребление тока в режиме ожидания в узлах датчиков Интернета вещей примерно на 70 процентов. В настоящее время передовые разработчики внедряют несколько областей питания, чтобы отделить высокочастотные вычислительные компоненты от частей, которым необходимо оставаться активными постоянно. Такой подход значительно способствует увеличению срока службы батареи в устройствах, таких как медицинские носимые технологии и оборудование для мониторинга окружающей среды, где критически важна долгосрочная работа. Что касается конкретно передатчиков Bluetooth Low Energy, то динамическая настройка пороговых значений в конструкциях PMIC позволяет им работать примерно на 22% дольше, сохраняя при этом хорошую дальность сигнала. Эти методы постепенно получают распространение в отрасли, поскольку производители ищут способы оптимизации производительности без ущерба для надежности.
При совместном проектировании корпусов и связанных с ними схем качество сигнала фактически улучшается, поскольку мы можем учитывать паразитные параметры корпуса вместе с оконечными сетями на кристалле. Некоторые специализированные проекты интегральных схем, включающие согласованные по импедансу входные/выходные буферы, показали значительное снижение электромагнитных помех. Согласно одному из отраслевых эталонных тестов 2023 года, такие специализированные решения сокращают уровень ЭМП примерно на 41% по сравнению со стандартными готовыми аналогами. Для приложений управления двигателем, ориентированных на конкретные интегральные схемы , тепловое управление также становится очень важным. Грамотное тепловое проектирование помогает предотвратить образование надоедливых локальных перегревов. И не будем забывать о маленьких развязывающих конденсаторах — конденсаторы либо их необходимо размещать строго в соответствии с правилами проектирования, чтобы поддерживать стабильность питания даже при резких изменениях нагрузки.
Исследователи разработали систему непрерывного мониторинга уровня глюкозы, которая может работать до 18 месяцев от одного заряда благодаря нескольким удачным решениям в конструкции. Во-первых, они применили методы работы в подпороговом режиме в аналоговых цепях переднего каскада, что значительно снизило энергопотребление. Во-вторых, использовалась временная интерлейсинговая выборка АЦП, синхронизированная с радиочастотными импульсами при передаче данных. В-третьих, была внедрена технология преобразования солнечной энергии на кристалле, способная генерировать около 15 микроватт даже при обычном освещении в помещении. Полученная 40-нанометровая специализированная интегральная схема также показывает впечатляющие результаты — достигается почти 99,3 процента точности измерений при потреблении всего 3,2 микроампера на мегагерц. Это означает снижение энергопотребления примерно на две трети по сравнению с предыдущими версиями аналогичных устройств.
Когда речь заходит о носимых устройствах и устройствах интернета вещей, где важна компактность и управление тепловыделением, передовые методы трассировки становятся абсолютно критичными. В настоящее время многие инженеры прибегают к таким решениям, как многоуровневая компоновка 3DIC и технология микропереходных отверстий, поскольку они позволяют уменьшить общую площадь размещения, сохраняя при этом чистоту и силу сигналов. Некоторые исследования 2023 года рассматривали, как стратегическое размещение медных столбиков в конструкциях систем в корпусе (SiP) может существенно повлиять на результат. Что получилось? Локальные перегревы снизились примерно на 34% по сравнению со стандартными вариантами компоновки. Довольно впечатляюще, если учитывать, насколько плотнее становится размещение компонентов по мере развития технологий.
Ключевые методы включают:
Прогнозы отрасли предполагают, что к 2025 году 50% новых проектов высокопроизводительных вычислительных чипов будут использовать архитектуры с несколькими кристаллами, что обусловлено требованиями к пропускной способности ускорителей ИИ. Этот сдвиг затрагивает потребительскую электронику, где проектным командам необходимо учитывать компромисс между интерконнектами, соответствующими стандарту UCIe, и тепловыми ограничениями в устройствах с толщиной менее 7 мм.
Выбор между сторонними и собственными блоками IP связан с компромиссом между скоростью выхода на рынок и различиями в производительности. Коммерческие PHY-блоки IP для PCIe 6.0 или DDR5 ускоряют разработку автомобильных контроллеров, тогда как специализированные ускорители нейронных сетей зачастую обеспечивают в 2–3 раза лучшую энергоэффективность в приложениях периферийного ИИ.
В ходе опроса разработчиков SoC в 2024 году были выявлены следующие тенденции:
| Подход к интеграции | Среднее время разработки | Гибкость оптимизации энергопотребления |
|---|---|---|
| Сторонние IP | 7,2 месяца | 38% |
| Собственные IP | 11,5 месяцев | 81% |
Последние исследования показывают, что стандартизированные интерфейсы UCIe снижают риски интеграции в конструкциях на основе чиплетов, сохраняя при этом производительность. В SoC для промышленной автоматизации сочетание коммерческого IP-модуля управления двигателем с собственными модулями безопасности позволяет обеспечить соответствие уровню ASIL-D в пределах энергопотребления менее 2 Вт.
Современные инструменты EDA выполняют около 70% скучных и рутинных задач при моделировании и верификации, что значительно ускоряет разработку специализированных ИС. Платформы позволяют инженерам проверять, насколько стабильно работает питание в экстремальных условиях, а также тонко настраивать сигнальные пути, чтобы они надёжно функционировали в реальных условиях. Согласно последнему отчёту EDA Tools Report за 2024 год от отраслевых аналитиков, компании, использующие такие интегрированные системы, фиксируют сокращение ошибок после изготовления примерно на 43% благодаря встроенной проверке правил проектирования и улучшенным возможностям теплового моделирования. Это логично, поскольку выявление проблем на ранних этапах экономит время и средства в дальнейшем.
Полнофункциональные системы EDA могут обходиться компаниям в несколько сотен тысяч долларов США в год, хотя в настоящее время существуют модульные варианты, которые лучше масштабируются для небольших предприятий, только начинающих свою деятельность. Благодаря лицензированию на основе токенов инженерные команды могут фактически использовать эти передовые инструменты синтеза тогда, когда они действительно нужны, на важных этапах, таких как создание разводки чипа или учет паразитных эффектов. Согласно некоторым исследованиям, опубликованным в прошлом году, компании среднего размера получили окупаемость своих инвестиций почти на четверть быстрее, когда они совмещали бесплатное программное обеспечение для верификации из открытых проектов с платными программами разводки от проверенных поставщиков. В настоящее время такой гибридный подход хорошо работает для многих растущих технологических компаний.
Ключевые стратегии минимизации рисков при разработке ASIC включают:
Эти методы помогают избежать повторных запусков, которые могут задержать выход на рынок на 14–22 недели при каждом пересмотре трафарета.
Новые разработчики находят способы обойти высокие стартовые затраты, которые ранее превышали два миллиона долларов, используя внешние центры проектирования и сервисы доставки прототипов. Компании, специализирующиеся на ASIC, теперь берут на себя все этапы — от определения архитектуры чипа до передачи окончательных GDSII-файлов. Многие полупроводниковые фабрики также открыли двери для небольших игроков, предоставляя им доступ к передовым производственным процессам с нормами 12 нм и 16 нм без необходимости сначала делать крупные производственные партии. Для малого бизнеса это означает, что они могут тратить время на создание уникальных решений для своего рынка, вместо того чтобы тратить ресурсы на построение дорогостоящей инфраструктуры с нуля.
Специализированные интегральные схемы решают самые разные задачи в современных умных системах. Возьмём, к примеру, периферийные устройства Интернета вещей, где нейроморфные архитектуры могут сократить потребность в вычислительных ресурсах для ИИ примерно на 80 процентов, почти не жертвуя скоростью и сохраняя время отклика менее десяти миллисекунд. Автомобильная промышленность также добилась значительного прогресса. Современные системные микросхемы объединяют более чем пятнадцать передовых функций систем помощи водителю на одном чипе, что позволяет автомобилям обнаруживать объекты примерно на 40 процентов быстрее в ходе тестирования технологий автономного вождения. Не стоит забывать и об условиях в промышленности. Когда производители встраивают крошечные MEMS-датчики непосредственно в свои специализированные микросхемы, это повышает точность предиктивного технического обслуживания, особенно при постоянной вибрации оборудования. Практические испытания показали примерно на треть более высокую точность в таких тяжёлых условиях.
Производители борются с насыщением рынка, внедряя вертикально оптимизированные SoC с собственными ускорителями для шифрования, управления двигателями и беспроводных протоколов. Результаты тестов показывают, что специализированные блоки матричного умножения превосходят универсальные GPU по пропускной способности нейронных сетей в 5 раз на уровне конечных устройств AIoT.
Усиленные ядра FP16 и адаптивное масштабирование напряжения позволяют системам медицинской визуализации обнаруживать опухоли на 30 % быстрее, не снижая диагностической точности. Промышленные контроллеры в реальном времени, использующие специализированные микросхемы, обеспечивают время отклика менее 2¼ с при выполнении критически важных операций аварийного отключения, повышая надежность систем в задачах особой важности.