EN
Швидкі посилання
Правильне створення спеціалізованих інтегральних схем починається з глибокого розуміння того, що потрібно побудувати. Інженерна команда тісно співпрацює з розробниками продуктів, щоб визначити такі параметри, як цільове енергоспоживання, яке зазвичай має залишатися нижче 1 вата для більшості застосунків Інтернету речей. Вони також встановлюють межі розсіювання тепла та вимоги до продуктивності, специфічні для кожного застосування. Наприклад, автомобільні системи часто вимагають час обробки сигналу менше ніж 10 наносекунд. Огляд останніх тенденцій у розробці ASIC за 2023 рік показав цікавий факт: коли інженери мають чіткі, детальні специфікації з самого початку, приблизно чотири з п’яти проектів успішно проходять початковий етап тестування. Але якщо пропустити цей крок, шанс на успішний результат з першої спроби різко падає — лише близько однієї третини проектів.
Інженерні команди часто застосовують модульні підходи до проектування, об'єднуючи обробні ядра, такі як RISC-V або ARM, разом із системами пам'яті та з'єднаннями введення/виведення, які відповідають вимогам кінцевого продукту. Для мікросхем, що використовуються в промисловій автоматизації, існує кілька важливих аспектів. Безпека є пріоритетною, тому проектувальники впроваджують резервні кола, які відповідають стандартам ISO 13849. Можливості обробки сигналів у реальному часі — ще одна обов'язкова функція. І ці компоненти мають надійно працювати навіть в екстремальних умовах, коректно функціонуючи від мінус 40 градусів Цельсія до плюс 125 градусів Цельсія без відмов.
Після того, як архітектура була затверджена, інженери переходять до написання коду HDL, проводять моделювання та оптимізують фізичну компоновку за допомогою різних інструментів, у тому числі Cadence Innovus. Виконання перевірок електромагнітних перешкод (EMI) та аналізу теплових характеристик на ранніх етапах процесу шляхом кількох ітерацій прототипів може зменшити витрати на повторні версії чипів пізніше. Більшість напівпровідникових фабрик витрачає близько 12–18 тижнів на поставку першого кремнієвого чипа, саме тому ретельне верифікування перед випуском є критично важливим для дотримання термінів проекту та контролю бюджету.
Згідно з останнім Звітом про вбудовані системи за 2024 рік, такі методи, як адаптивне регулювання напруги в поєднанні з затворенням тактового сигналу, можуть знизити споживання струму в режимі очікування в вузлах сенсорів Інтернету речей приблизно на 70 відсотків. Сучасні проектувальники тепер реалізовують кілька енергетичних доменів, щоб окремо відокремити компоненти з високою частотою обчислень від тих частин, які мають залишатися активними постійно. Такий підхід дійсно допомагає продовжити термін роботи батареї в пристроях, таких як медичні носимі технології та обладнання для моніторингу навколишнього середовища, де довготривала робота є критично важливою. Коли мова доходить до передавачів Bluetooth Low Energy, динамічна зміна порогових значень у конструкціях PMIC дозволяє їм працювати приблизно на 22% довше, зберігаючи при цьому гарну дальність сигналу. Галузь поступово впроваджує ці методи, оскільки виробники шукають способи оптимізувати продуктивність, не жертвуючи надійністю.
Під час одночасного проектування корпусів та пов'язаних з ними схем якість сигналу фактично покращується, оскільки ми можемо врахувати ті дратівливі паразитні параметри корпусу разом із внутрішньочиповими мережами узгодження. Було показано, що деякі спеціалізовані інтегральні схеми з буферами введення/виведення з узгодженим опором значно зменшують електромагнітні перешкоди. За даними одного недавнього галузевого стандарту 2023 року, такі спеціалізовані рішення зменшують електромагнітні перешкоди приблизно на 41% порівняно зі стандартними готовими аналогами. Для застосувань керування двигунами, специфічних інтегральні схеми , теплове управління також стає дуже важливим. Якісне планування теплового режиму допомагає запобігти утворенню неприємних гарячих ділянок. І не забудемо про маленькі розчеплювальні конденсатори або їх потрібно розташовувати точно відповідно до правил проектування, щоб напруга залишалася стабільною навіть за раптових змін навантаження.
Дослідники розробили систему безперервного моніторингу рівня глюкози, яка може працювати до 18 місяців від одного заряду завдяки кільком раціональним рішенням у конструкції. По-перше, вони застосували технології роботи в підпороговому режимі в аналогових колах переднього каскаду, що значно зменшує споживання енергії. По-друге, використано метод дискретизації АЦП із часовим ущільненням, який синхронізується з радіочастотними імпульсами під час передачі даних. І по-третє, реалізовано технологію перетворення світла на кристалі, яка може генерувати близько 15 мікроват при звичайному внутрішньому освітленні. Результуюча спеціалізована інтегральна схема за техпроцесом 40 нм також демонструє вражаючі результати — забезпечує практично 99,3 відсотка точності вимірювань, споживаючи всього 3,2 мікроампера на мегагерц. Це означає зниження споживання енергії приблизно на дві третини порівняно з попередніми версіями подібних пристроїв.
Коли мова йде про носимі пристрої та IoT-пристрої, де простір є обмеженим, а управління тепловиділенням має важливе значення, передові методи трасування стають абсолютно критичними. Багато інженерів сьогодні вдаються до таких речей, як 3DIC-стекування разом із технологією мікроперехідних отворів, оскільки це дозволяє зменшити загальний габаритний розмір, одночасно забезпечуючи чистоту та стабільність сигналів. Деякі дослідження 2023 року показали, як стратегічне розміщення мідних стовпчиків у конструкціях системи в корпусі (SiP) дає помітний ефект. Результати? Локальні перегрівні зони скоротилися приблизно на 34% порівняно зі стандартними компонуваннями. Досить вражаюче, враховуючи, наскільки щільніше розташовуються компоненти з розвитком технологій.
До ключових методів належать:
Прогнози галузі свідчать, що до 2025 року 50% нових проектів високопродуктивних обчислювальних чіпів перейдуть на багатокристальну архітектуру через потребу в пропускній здатності для прискорювачів штучного інтелекту. Цей перехід впливає на побутову електроніку, де конструкторським групам потрібно поєднувати міжз'єднання, сумісні з UCIe, з обмеженнями тепловиділення в пристроях товщиною менше 7 мм.
Вибір між сторонніми та власними блоками IP передбачає компроміс між терміном виходу на ринок та відмінностями у продуктивності. Комерційні блоки IP для PCIe 6.0 або DDR5 PHY прискорюють розробку контролерів для автомобілів, тоді як спеціалізовані прискорювачі нейронних мереж часто забезпечують у 2–3 рази кращу енергоефективність у застосунках крайового штучного інтелекту.
У 2024 році опитування розробників SoC виявило такі тенденції:
| Підхід до інтеграції | Середній термін розробки | Гнучкість оптимізації енергоспоживання |
|---|---|---|
| Сторонній IP | 7,2 місяця | 38% |
| Власний IP | 11,5 місяця | 81% |
Останні дослідження показують, що стандартизовані інтерфейси UCIe зменшують ризики інтеграції в проектах на основі чіплетів, зберігаючи при цьому продуктивність. У системних мікросхемах для промислової автоматизації поєднання комерційних IP-модулів керування двигунами з власними модулями безпеки дозволяє досягти відповідності рівню ASIL-D у межах енергоспоживання менше 2 Вт.
Сучасні інструменти EDA виконують близько 70% нудних повторюваних завдань під час моделювання та перевірки, що значно прискорює розробку спеціалізованих ІС. Платформи дозволяють інженерам перевіряти стабільність живлення за граничних умов та точно налаштовувати сигнальні шляхи, забезпечуючи надійну роботу в реальних умовах. Згідно з останнім Звітом про інструменти EDA за 2024 рік від галузевих аналітиків, компанії, які використовують ці інтегровані системи, фіксують приблизно на 43% менше помилок після виготовлення завдяки вбудованій перевірці правил проектування та покращеним можливостям моделювання теплових режимів. Це логічно, адже виявлення проблем на ранніх етапах економить час і кошти в майбутньому.
Повнофункціональні системи EDA можуть коштувати компаніям понад півмільйона доларів на рік, хоча зараз існують модульні варіанти, які краще масштабуються для невеликих підприємств, що тільки починають діяльність. Завдяки ліцензуванню на основі токенів, інженерні команди можуть фактично використовувати ці потужні інструменти синтезу саме тоді, коли вони дійсно потрібні, на важливих етапах, таких як створення розташування мікросхеми або врахування паразитних ефектів. Згідно з деякими дослідженнями, опублікованими минулого року, компанії середнього розміру отримали повернення інвестицій майже на чверть швидше, поєднуючи безкоштовне програмне забезпечення для верифікації з відкритих проектів і платні програми для розташування від перевірених постачальників. Такий гібридний підхід зараз добре працює для багатьох технологічних фірм, що розвиваються.
Ключові стратегії мінімізації ризиків у розробці ASIC включають:
Ці методи допомагають уникнути повторних запусків, що можуть затримати вихід на ринок на 14–22 тижні через кожен перегляд маски
Нові розробники знаходять способи обійти високі початкові витрати, які раніше перевищували два мільйони доларів, використовуючи зовнішні центри проектування та послуги з доставки прототипів. Компанії, що спеціалізуються на ASIC, тепер беруть на себе всі етапи — від визначення архітектури чіпа до передачі фінальних GDSII-файлів. Багато напівпровідникових фабрик також відкрили свої двері для менших гравців, надаючи їм доступ до передових виробничих процесів на рівні 12 нм та 16 нм без необхідності спочатку зобов’язуватися до масового виробництва. Для малих підприємств це означає, що вони можуть витрачати час на створення унікальних рішень для свого ринку, замість того, щоб гаяти зусилля на будівництво дорогостоючої інфраструктури з нуля.
Спеціалізовані інтегральні схеми задовольняють найрізноманітніші потреби сучасних розумних систем. Візьмемо, наприклад, пристрої Інтернету речей на периферії мережі, де нейроморфні архітектури можуть скоротити витрати на обробку штучного інтелекту приблизно на 80 відсотків, практично не погіршуючи швидкості та зберігаючи час відгуку меншим за десять мілісекунд. Автомобільна промисловість також досягла значних успіхів. Їхні системи на кристалі тепер об'єднують понад п'ятнадцять передових функцій систем допомоги водієві в одному чипі, що дозволяє автомобілям виявляти об'єкти приблизно на сорок відсотків швидше під час тестування технологій автономного керування. І не варто забувати про промислове середовище. Коли виробники вбудовують крихітні МЕМС-датчики безпосередньо в свої спеціалізовані чипи, це суттєво підвищує точність передбачуваного обслуговування, особливо коли обладнання постійно вібрує. У реальних умовах тестування показали приблизно на третину вищий рівень точності в таких важких умовах.
Виробники борються з насиченням ринку, впроваджуючи вертикально оптимізовані системи на кристалі з спеціалізованими прискорювачами для шифрування, керування двигунами та бездротових протоколів. Порівняльні тести показують, що спеціалізовані блоки множення матриць перевершують універсальні GPU на 5 за продуктивністю нейронних мереж на крайових пристроях штучного інтелекту.
Спеціалізовані ядра FP16 і адаптивне регулювання напруги дозволяють системам медичної візуалізації виявляти пухлини на 30% швидше, не поступаючись точності діагностики. Промислові контролери реального часу, що використовують спеціалізовані ІМС, досягають часу реакції менше ніж 2¼ с для операцій аварійного вимкнення, підвищуючи надійність систем у критичних за призначенням застосуваннях.