Räätälöidyn tai kustomoidun piirin suunnitteluun liittyy useita sitkeitä myyttejä ja pelkoja, jotka lähes kaikki ovat perusteettomia. Lisäksi tämän suunnittelumenetelmän monia etuja ei ymmärretä kovin hyvin. Tässä artikkelissa perustellaan, miksi sinun pitäisi pohtia räätälöidyn piirin rakentamista myös pienen volyymin projekteissa.

Artikkelin kirjoittaja Michele Riga toimii tuotespesialistina Arm:n sulautettujen ja autoteollisuuden liiketoimintaryhmässä. Hän vastaa Armv7-A ja Arm Cortex-A53 -prosessorista IoT- ja sulautettujen järjestelmien markkinoilla. Michelen kokemus kattaa tuotemarkkinoinnin ja laitesuunnittelun, mukaan lukien Arm DynamicIQ-tekniikan ja muiden Arm-prosessorien muistijärjestelmien suunnittelun ja verifioinnin. Tältä alueelta hänellä on yksi USA-patentti ja toinen hakemus vireillä. Michelellä on elektroniikan ja tietotekniikan tutkinto Georgian teknologisesta instituutista sekä elektroniikkainsinöörin tutkinto Torinon polyteknisestä korkeakoulusta.

Räätälöidyn SOC-piirin – tai ASIC-piirin, termejä käytetään usein rinnakkain – etuihin kuuluvat alhaiset kustannukset ja toimitusketjun yksinkertaistaminen, kopioimisen ja kloonaamisen estäminen, järjestelmän parempi luotettavuus, parantunut suorituskyky ja joustavuus uusien toiminnallisuuksien lisäämiseen, ja kaikki tämä pienemmässä koossa. Kustomoidun SoC-piirin suunnittelu ei enää merkitse valtavaa investointia, koska tarjolla on aiemmin käytössä todennettuja IP-lohkoja ja monia osaavia suunnittelupalveluja tarjoavia yrityksiä. Lisäksi saatavilla on kypsää piirituotantoa, mikä mahdollistaa SoC-suunnittelun alhaisemmilla kustannuksilla, jotka ovat useimpien OEM-valmistajien ulottuvilla.

Tässä artikkelissa tutkitaan kustomoidun SoC-piirien rakentamisen taloudellisia hyötyjä. Tueksi esitetään teollisuuden ohjaussovelluksen tarkastelu ja todellista dataa kustannuksista, koosta ja tehonkulutuksesta.

Uudet tuotteet alentavat piiritekniikan kustannuksia

Viime vuosina markkinoille toimitettujen digitaalisten laitteiden määrä on kasvanut merkittävästi joka vuosi. Katsotaan vaikka Arm:n kumppaneiden toimittamien piirien määrän kasvua viimeisen 20 vuoden aikana.

Kuva 1. Arm-piirien toimitusten määrän kehitys.

On luotu täysin uusia tuoteluokkia, kuten ensimmäiset matkapuhelimet ja sitten älypuhelimet, puettavat laitteet, ja niin edelleen. Samaan aikaan olemassa olevia tuotteita on kehitetty ja niistä on tullut enemmän ja enemmän digitaalisia, kuten autot, kotitalouskoneet ja teollisuuslaitteet.

Useimmat alhaisen tai keskisuuren volyymin tuotteet rakennetaan laajasta valikoimasta valmiita kaupallisia puolijohdekomponentteja. Elektroniikkajärjestelmien voi kuitenkin olla vaikea vastata suorituskyky-, energiatehokkuus- ja kustannusvaatimuksiin pelkillä kaupan hyllyltä ostettavilla osilla.

Käyttämällä kustomoituja SoC-piirejä valmistaja voi luoda houkuttelevia ja muista tuotteista erottautuvia tuotteita parantamalla suuresti niiden suorituskykyä, tehonkulutusta, kokoa ja hintaa, joita kuvaan myöhemmin. Yhä useammat yritykset valitsevat tämän tien, mutta sitäkin useammalta on vielä ymmärtämättä tämän toiminnan hyödyt ja keinot siihen pääsemiseen.

Helposti käytettävissä oleva piitekniikka

Lähes jokainen puolijohdealalla on törmännyt Mooren lakiin, jonka mukaan transistorimäärä kaksinkertaistuu kahden vuoden välein yhä pienempien ja pienempien transistorien ansiosta. Viimeisimmät 7 nanometrin teknologiat ovat äärimmäisen miniatyrisoinnin ihmeitä, jotka vauhdittavat digitaalista vallankumousta puhelimissa, palvelimissa, televisioissa ja verkkolaitteissa.

Usein kuitenkin unohdetaan, että uusimpia kehityskulkuja kuvaavien uutisten alla on yhtä tärkeitä parannuksia vanhemmissa (mutta aikanaan kaikkein edistyneimmissä) puolijohdesukupolvissa. Se, missä suunnittelu joskus maksoi miljoonia dollareita, maksaa nyt vain murto-osan alkuperäisestä hinnasta. Samaan aikaan käytettävissä olevat vaihtoehdot jännitevuotojen karsimiseen, alhaiseen tehonkulutukseen tai korkeajännitteisiin piireihin ovat moninkertaistuneet. Innovaatio ei ole pysähtynyt kypsään tekniikkaan, vaan se on kiihtynyt.

Näitä kypsiä prosessisukupolvia voidaan käyttää kaikissa sovelluksissa, joissa lisäarvo tuotetaan tuomalla lisää toiminnallisuutta, joka ei välttämättä skaalaudu Mooren lain mukaisesti, kuten antureita ja aktuaattoreita. Tähän viitataan termillä ”More than Moore”. Näitä tehtaita väheksytään, vaikka saanto niissä on erittäin korkealla tasolla.

Kuva 2. Tänään protopiiri voidaan valmistaa 0,18 mikronin prosessissa vain 18 tuhannella dollarilla (luit oikein, alle 20 000 dollarilla) ja jopa alkuaikojen älypuhelimien piireissä käytetyssä 65 nanometrin prosessissa vain 48 tuhannella dollarilla.

Mahdollisuus käyttää kypsiä valmistusprosessien kustomoidun SoC-piirien toteuttamiseen, joka yhdistää sekasignaalipiirejä, mikro-ohjaimia, tuloja ja lähtöjä, ajureita, tehonhallintaa ja niin edelleen on laajempi kuin koskaan aikaisemmin.

Kuva 3. Kustannukset 80, 130 ja 65 nanometrin (ylimpänä) prosesseissa vuosien varrella. Hinta laskee tasaisesti ajan kuluessa (kuva: IMEC ic-link).

Kustomoidun SoC-piirin hyödyt

On monia mahdollisia syitä kehittää kustomoitu SoC-järjestelmäpiiri:

• Tuotekustannuksien alentaminen, kun useita erillispiirejä korvataan yhdellä sirulla.
• Komponenttimäärän, monimutkaisuuden ja piirikorttialan vähentäminen.
• Luotettavuuden parantaminen – perinteisellä sadoista erillisistä komponenteista rakentuvilla piirikortilla on monia vikaantumisen/pettämisen mahdollisuuksia. Kustomoitu piiri poistaa nämä uhat.
• Tuotteen suojeleminen, kun sen käänteinen suunnittelu ja kopioiminen tulee vaikeammaksi tai jopa mahdottomaksi.
• Toimitusketjun monimutkaisuuden pienentäminen, kun piirin omistajuus tulee täysin valmistajalle. Tämä varmistaa pitkäaikaiset toimitukset, kun käytetään vakiintuneita foundry-valmistajia ja prosessisukupolvia.
• Tuotteesta tulee houkuttelevampi ja erottuvampi, uusia toimintoja voidaan lisätä joustavasti, mikä ei ole mahdollista standardipiirejä käytettäessä.
• Saavuta halutun sovelluksen tai tuotteen suorituskyky- ja/tai kustannusvaatimukset, joita ei voi saavuttaa piirilevyllä.

Toimitusketjun turvallisuus on yksi tärkeä etu. Valmiit piikiekot – ilman testaamisen ja koteloinnin kustannuksia – voidaan varastoida turvallisesti ja ottaa käyttöön tarvittaessa. Vuosien piiritoimitukset voidaan toteuttaa alhaisin kustannuksin. Tämä eroaa selvästi toimitusketjusta, jossa täytyy ostaa monia erillispiirejä etukäteen täyteen hintaan.

Kustomoidun piin edut yrityksesi osto- ja toimitusketjutiimin kannalta voivat jo itsessään olla valtavan arvokkaat.

Rakennuspalikat ja IP:n saatavuus

Piiriä rakennettaessa kaikki vaadittavat palaset voidaan helposti ostaa kolmansilta osapuolilta tai ne voi toimittaa suunnittelupalvelukumppani omasta portfoliostaan.

Arm on merkittävä IP-toimittaja, ja monet valmiit kaupalliset piirit joita luultavasti jo käytät perustuvat tällä hetkellä Arm Cortex -prosessoreihin. Kustomoidun SoC-piirin rakentamisessa yrityksiä auttaa Arm DesignStart -ohjelma. Yksi viimeisistä lisäyksistä ohjelman tarjontaan on nopea pääsy Cortex-M0- ja Cortex-M3-prosessoreihin yksinkertaisella sopimuksella, ilman etukäteismaksua ja vain tuotteen menestykseen perustuvalla rojaltimallilla. Molemmat DesignStart-paketit sisältävät myös alijärjestelmän ja laajan valikoiman rakennuspalikoita ja oheislaitteita rakentamiseen tai kustomointiin.

Alijärjestelmät sisältävät kaikki yleiset elementit, jotka tarvitaan liikkeellelähtöön, tai yksinkertaisesti referenssisuunnitteluun työn lähtökohdaksi:

• Cortex-M3 -prosessori ja konfiguroitava muistijärjestelmä
• Valmis liitäntä Flash-muistiin integroidulla Flash-välimuistilla
• Liitäntä kolmansien osapuolten oheislaitteisiin
• Reaaliaikakello
• TRNG-satunnaislukugeneraattori (True Random Number Generator) turvallisuuden perustan tuomiseen
• Dedikoitu liitäntä Arm:n Cordio-radioiden integrointiin

Kuva 4. CoreLink SSE-050 -järjestelmän lohkokaavio

Suunnitteluapua

Toteutusvaihe voidaan helposti ulkoistaa moniin suunnittelupalveluyrityksiin, kuten alla kuvatussa esimerkissämme. Nämä yritykset tarjoavat palveluita helpottaakseen kustomoidun SoC-prosessin kaikissa vaiheissa, mikä antaa sinulle mahdollisuuden ulkoistaa mikä tahansa osa suunnitteluprojektista – määrittelystä suunnitteluun, integrointiin ja verifiointiin. Jotkut huolehtivat myös piirin valmistuksesta ja toimituksista.

Auttaakseen OEM-valmistajia ja yrityksiä, jotka eivät koskaan ole suunnitelleet piiriä itse, Arm on kehittänyt Approved Design Partner –ohjelman. Tämä ohjelma liittää yritykset auditoituihin suunnittelutaloihin, jotka on valittu niiden tarjoamien palvelujen laadun ja Arm:n IP:n menestyksekkään käytön perusteella.

Tosielämän tapaustutkimus

Katsotaanpa todellista esimerkkiä, jonka tarjoaa S3 Semiconductor. He kehittivät kustomoidun ratkaisun öljy- ja kaasuteollisuudessa toimivalle yritykselle, joka suunnitteli monimutkaisia painetta ja lämpötilaa aistivia venttiilinohjaimia. Aiempi ratkaisu perustui piirikorttiin, joka sisälsi suuren määrän erilaisia digitaalisia ja analogisia valmiita komponentteja.

Seuraavan sukupolven tuotteessaan S3:n asiakas päätti korvata lukuisat valmiit kaupalliset komponentit yhdellä integroidulla ratkaisulla. Tärkeimmät syyt tähän olivat kustannusten alentaminen, luotettavuuden lisääminen, sekä inventaarion ja toimitusketjun hallinnan yksinkertaistaminen, koska jotkut toimittajista suunnittelivat vanhassa suunnittelussa olleiden komponenttien valmistuksen lopettamista. Lisäksi asiakas halusi lisätä liitettävyyttä, jotta kentällä käytettyjä venttiilejä voisi etähallita.

Useimpien laitevalmistajien tapaan asiakkaalla ei ollut piirisuunnitteluosaamista talon sisällä. Siksi he päättivät ulkoistaa projektin kokonaan S3:lle.

S3 rakensi asiakkaalle vähävirtaisen piirin, joka perustui kustannustehokkaaseen 180 nanometrin prosessitekniikkaan, integroimalla DA- ja AD-muuntimet ja useita tietoliikenneliitäntöjä kuten I2C, UART ja SPI yhteen vähävirtaiseen suunnitteluun, joka kulutti tehoa 160 mikrowattia megahertsiä kohti. Projektin tulokset ovat vaikuttavia ja parannukset kustannusten, tehonkulutuksen ja alan suhteen nämä:

• 80% alennus materiaalikustannuksissa (BOM)
• 70% pienempi tehonkulutus
• 75% pienempi ala piirikortilla

Lisäksi uusi ratkaisu yksinkertaisti merkittävästi materiaalien ja toimitusketjun hallintaa. Toimittajien määrän ja varastoitavien ja hallittavien komponenttien määrän kutistuminen alensi riskiä tuotannossa selvästi.

Tuotantovaihtoehtoehdot

SoC-piirin kehittämisessä on muutamia erilaisia vaiheita, joista jokainen vaatii omaa osaamistaan ja lisää kustannuksia: SoC-määrittely, IP-valinta, suunnittelu ja integrointi, verifiointi sekä toteutus. Laitevalmistajana sinun ei todennäköisesti tarvitse keskittyä kovinkaan moneen itse, vaan suunnittelukumppanisi huolehtii siitä puolestasi omiin tarpeittesi, osaamisesi ja kyvykkyyksiesi perusteella.

On kuitenkin syytä ymmärtää, millaisia erilaisia tuotantovaihtoehtoja on olemassa prototyypeille ja myöhemmin tuotantopiireille:

• Moniprojektikiekko eli MPW (Multi-project wafer): näillä yhdistetään monia projekteja eri asiakkailta, mikä jakaa kustannuksia kaikille. Tätä voidaan käyttää varhaisiin prototyyppeihin ja myös täyteen tuotantoon, jos tarvitaan vain hyvin pieniä volyymejä.
• Monikerrosmaski eli MLM (Multi-layer mask): tässä yhdistetään erilaisia maskeja yhdeksi, mikä alentaa kokonaiskustannuksia. Tuotantokustannukset (kiekkoa kohti) ovat tässä kuitenkin korkeampia, koska tuotantoon vaaditaan enemmän foundry-tuotantoaikaa.
• Täysi maskisarja: omat maskit täyteen tuotantoon. Tämä on ideaalinen ratkaisu keskisuurten tai suurten volyymien tuotantoon.

Lähes jokainen projekti käynnistyy moniprojektikiekkona toteutettuna prototyyppinä. Alhaisen volyymin tuotantoon tai pienten sirukokojen keskisuuriin volyymeihin MPW ja MLM ovat hyvin tehokkaita ratkaisuja. Lähes jokainen sopimusvalmistaja eli foundry tarjoaa helposti ja usein saatavilla olevia PMW- tai MLM-palveluja kustannustehokkaille teknologiasukupolvilleen.

Kuva 5. Räätälöidyn SoC-piirin investoinnin edellyttämät minimituotantomäärät. 180 nanometrissä tämänhetkisillä kustannuksilla muutama tuhatta kappaletta vuodessa on minimivaatimus (IMEC ic-linkin mukaan).

Kaikki tämä on tehnyt räätälöidyn SoC-piirin toteuttamisesta kustannustehokasta ja edullista pienille yrityksille tai pienen volyymin projekteihin. IMEC ic-linkin 180 nm -analyysin perusteella vain muutaman tuhannen kappaleen valmistaminen voi olla kustannustehokasta, kaikkien muiden hyötyjen lisäksi.

Piin jälkeen: ohjelmiston uudelleenkäyttö

Piirin kokoonpano ja valmistus ei merkitse projektin päättymistä. Laitteella ei ole paljon arvoa, jos sitä ei yhdistetä ohjelmistoon, jolla kaikkia toteutettuja toimintoja ajetaan ja käytetään.  Mikäli ohjelmistoinsinöörisi ovat huolestuneita siirtymisestä kustomoituun piiriin, heille voi vakuuttaa, että kehitys, debuggaus ja ohjelmiston uudelleenkäyttö pysyvät aivan samanlaisina kuin aiemmin. Itse asiassa, jos he käyttävät vanhoja 8- tai 16-bittisiä mikro-ohjaimia, elämästä tulee jatkossa paljon helpompaa!

Hieno muistettava asia on se, että mikäli nyt käyttää valmista kaupallista mikro-ohjainta tai prosessoria, niiden siirtäminen räätälöidylle SoC-piirille, olemassa olevan ohjelmiston uudelleenkäyttö ja koodin hyödyntäminen tulevaisuuden projekteissa on täysin mahdollista ja suoraviivaista.

Johtopäätökset

Laitevalmistajana sinun pitäisi miettiä vakavasti, miten räätälöity SoC-piiri sopii sinun maailmaasi, kaikista edellä kuvatuista syistä.

Tarjolla on laaja valikoima IP-lohkoja kentällä todistetuista mikroprosessoreista kuten Cortex-M3 oheislaitteisiin ja kiihdyttimiin. Jotkut yritykset, kuten Arm DesignStart-ohjelman kautta, tarjoavat pääsyä IP:een ilman ennakkomaksua ja tuotteen menestykseen perustuvalla rojaltimallilla. Tämä muuttaa IP:n käytön kustannukseksi, joka on suhteessa projektin kokoon.

Työskenteleminen osaavan ja kokeneen suunnittelukumppanin kanssa ja pitkän erilliskomponenttien listan puristaminen yhdeksi edulliseksi piiriksi, toimitusketjun yksinkertaistaminen ja tuotteen suojeleminen yhdellä ja samalla kertaa on houkuttavaa. Piirien kehittäminen kynnys on alentunut huomattavasti ja tämä on johtamassa räätälöityjen SoC-ratkaisujen määrän räjähdysmäiseen kasvuun, mikä vauhdittaa tulevaisuuden IoT- ja sulautettuja sovelluksia.