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ESYCS - Studie 7 „Embedded Hardware“ Ein Überblick über ASIC – Technologie Ulrich Wagner.

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Präsentation zum Thema: "ESYCS - Studie 7 „Embedded Hardware“ Ein Überblick über ASIC – Technologie Ulrich Wagner."—  Präsentation transkript:

1 ESYCS - Studie 7 „Embedded Hardware“ Ein Überblick über ASIC – Technologie Ulrich Wagner

2 Inhalt Kostenproblematik des Chipdesigns Kostenproblematik des Chipdesigns ASIC – Überblick über die Technologie ASIC – Überblick über die Technologie Entscheidungskriterien Entscheidungskriterien Anwendungsbeispiele Anwendungsbeispiele

3 Ziel eines ASIC‘s

4 Hardware: Entwurfsproblematik

5 Entwicklung der Investitionskosten

6 Investitionskosten Chipentwicklung

7 Technologieentwicklung seit 57 Ständiger Wechsel zwischen Standardisierung und Spezialisierung im 10 Jahres Takt Ständiger Wechsel zwischen Standardisierung und Spezialisierung im 10 Jahres Takt

8 Eingebettete Hardware: ASIC Application Specific Integrated Circuit Application Specific Integrated Circuit Ein vollständig nach Applikation hergestellter Schaltkreis Ein vollständig nach Applikation hergestellter Schaltkreis Hohe Einstiegskosten Hohe Einstiegskosten Euro für 2µm Technologie, multi project wafer Euro für 2µm Technologie, multi project wafer Euro für 0.13 µm Technologie Euro für 0.13 µm Technologie Niedrige Produktionskosten Niedrige Produktionskosten hunderte von Chips auf einem Wafer für Euro hunderte von Chips auf einem Wafer für Euro

9 ASIC Alle Freiheitsgrade der Technologie können zur Optimierung genutzt werden Alle Freiheitsgrade der Technologie können zur Optimierung genutzt werden Beste Implementierung für eine fest vorgegebene Schaltung Beste Implementierung für eine fest vorgegebene Schaltung Fehlerbehebung und nachträgliche Änderungen oder Optimierungen sind sehr teuer Fehlerbehebung und nachträgliche Änderungen oder Optimierungen sind sehr teuer Der Chip muß so entworfen werden, daß er in allen in Frage kommenden Anwendungen verwendet werden kann. Der Chip muß so entworfen werden, daß er in allen in Frage kommenden Anwendungen verwendet werden kann. Einsatzbereich: Standardschaltungen mit hohen Stückzahlen. (Prozessoren, Speicher, FPGAs,...) Einsatzbereich: Standardschaltungen mit hohen Stückzahlen. (Prozessoren, Speicher, FPGAs,...)

10 Einteilung der ASIC‘s

11 Full Custom ASIC Nur in Anwendungen mit größten Stückzahlen Nur in Anwendungen mit größten Stückzahlen Entwicklung nur in der Chip-Fab möglich Entwicklung nur in der Chip-Fab möglich Gesamtlayout wird als Maske in der Chip-Fab nach Kundenwunsch erstellt Gesamtlayout wird als Maske in der Chip-Fab nach Kundenwunsch erstellt Belichtung und Packaging ebenso Belichtung und Packaging ebenso

12 Semi-Custom ASIC: Gate Array Die Variante mit der größten Verbreitung weltweit Die Variante mit der größten Verbreitung weltweit Beim Gate Array werden die meisten Herstellungsschritte kundenunabhängig durchgeführt. Beim Gate Array werden die meisten Herstellungsschritte kundenunabhängig durchgeführt. Die Lage der IO-Pads, Transistoren, etc. sind standardisiert, der Kunde kann nur noch die Verdrahtung beeinflussen. Die Lage der IO-Pads, Transistoren, etc. sind standardisiert, der Kunde kann nur noch die Verdrahtung beeinflussen. Der Kunde kann alle elektrischen Optimierungen vornehmen, hat jedoch keine detaillierte Kontrolle über das Layout. Der Kunde kann alle elektrischen Optimierungen vornehmen, hat jedoch keine detaillierte Kontrolle über das Layout.

13 Gate Array Änderungen sind etwas weniger kosten- und zeitintensiv. Änderungen sind etwas weniger kosten- und zeitintensiv. Gate Arrays verlieren zur Zeit deutlich Marktanteile an ASICs und FPGAs Gate Arrays verlieren zur Zeit deutlich Marktanteile an ASICs und FPGAs Dadurch bleiben auch bei modernsten Technologien die Einstiegskosten in der Entwicklung unter Euro Dadurch bleiben auch bei modernsten Technologien die Einstiegskosten in der Entwicklung unter Euro Die Produktionskosten sind mit denen von Full-Custum ASICs vergleichbar. Die Produktionskosten sind mit denen von Full-Custum ASICs vergleichbar.

14 FPGAs Field Programmable Gate Arrays Field Programmable Gate Arrays Bei FPGAs wird der Chip so gefertigt, daß die Schaltung vom Kunden selbst bestimmt werden kann. Und zwar entweder: Bei FPGAs wird der Chip so gefertigt, daß die Schaltung vom Kunden selbst bestimmt werden kann. Und zwar entweder: einmalig (Antifuse: Quicklogic) einmalig (Antifuse: Quicklogic) mehrmals (Flash: Actel) mehrmals (Flash: Actel) dynamisch, im System (SRAM: Actel, Altera, Atmel, DynaChip, Lucent, Xilinx) dynamisch, im System (SRAM: Actel, Altera, Atmel, DynaChip, Lucent, Xilinx)

15 Wie groß sind FPGAs? Zur Zeit: Zur Zeit: Gatter + 3KByte RAM für $ Gatter + 3KByte RAM für $ Gatter + 8KByte RAM für $ Gatter + 8KByte RAM für $ Gatter + 36KByte RAM für $ Gatter + 36KByte RAM für $ Gatter + 104KByte RAM für $ Gatter + 104KByte RAM für $2.000 Nächstes Jahr Gatter Nächstes Jahr Gatter

16 Wie schnell ist so ein FPGA? Anwendungsbeispiele für Virtex-E FPGAs Anwendungsbeispiele für Virtex-E FPGAs 32 Bit Prozessoren: 32 Bit Prozessoren: MHz synthetisiert, single cycle MHz synthetisiert, single cycle 125 MHz synthetisiert, pipeline 125 MHz synthetisiert, pipeline 266 MHz DDR SRAM Controller 266 MHz DDR SRAM Controller 622 Mbps serieller Link 622 Mbps serieller Link

17 Welche ASIC Familie ist die beste für mich? Technologische Überlegung zur Applikation: Was brauche ich mindestens um meiner Applikation gerecht zu werden? Technologische Überlegung zur Applikation: Was brauche ich mindestens um meiner Applikation gerecht zu werden? Kaufmännische Überlegung: Stückzahl vs. Kosten Kaufmännische Überlegung: Stückzahl vs. Kosten Ansonsten gilt in der Regel: Für ein neues Projekt immer die neueste ASIC/FPGA Familie verwenden, da diese immer am günstigsten sind Ansonsten gilt in der Regel: Für ein neues Projekt immer die neueste ASIC/FPGA Familie verwenden, da diese immer am günstigsten sind

18 Technologische Zielfunktion beim Entwurf digitaler Schaltungen

19 ASICs: Die wichtigsten Kriterien

20 Geschwindigkeit Komplexität Controller Prozessoren FPGA Full-Custom ASIC Semi-Custom ASIC Positionierung der verschiedenen ASIC Gruppen

21 Flächen/Leistungseffizienz

22 Überlegungen zu Kosten vs. Stückzahl FPGAMAGCBIC Fixkosten Euro/Stück46,8129,

23 ASIC Entwicklungzeiten

24 FPGA Weltmarkt 2003

25 Umsatzentwicklung FPGA und Prognose

26 Stagnation bei Rapid Prototyping

27 Anwendungsbeispiel: Semi-Custom ASIC

28 Anwendungsbeispiel: ohne FPGA

29 Anwendungsbeispiel: mit FPGA

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

31 Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)

32 Wie funktioniert die Tasse? Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher. Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher. Die Elektronik wird kabellos mit Energie versorgt; Die Elektronik wird kabellos mit Energie versorgt; Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse. Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse. Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet. Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet.

33 FPGAs: Antifuse Chip wird durch das gezielte Brennen von Schmelzbrücken konfiguriert und kann danach nicht mehr verändert werden. Chip wird durch das gezielte Brennen von Schmelzbrücken konfiguriert und kann danach nicht mehr verändert werden. Fast keine Einstiegskosten, dafür höhere Produktionskosten als beim ASIC Fast keine Einstiegskosten, dafür höhere Produktionskosten als beim ASIC Fehlerbehebung und Updates sind für neu ausgelieferte Platinen problemlos möglich. Bereits produzierte Chips können jedoch nicht mehr verändert werden. Fehlerbehebung und Updates sind für neu ausgelieferte Platinen problemlos möglich. Bereits produzierte Chips können jedoch nicht mehr verändert werden. Einsatzbereich: ASIC Ersatz für kleinere Stückzahlen Einsatzbereich: ASIC Ersatz für kleinere Stückzahlen

34 FPGAs: Flash Flash oder EPROM basierte FPGAs lassen sich einige tausend mal neu konfigurieren, behalten aber ihre Konfiguration auch ohne Stromversorgung Flash oder EPROM basierte FPGAs lassen sich einige tausend mal neu konfigurieren, behalten aber ihre Konfiguration auch ohne Stromversorgung Mit geringem zusätzlichem Schaltungsaufwand lassen sich Updates beim Kunden ausführen Mit geringem zusätzlichem Schaltungsaufwand lassen sich Updates beim Kunden ausführen Die einzige existierende FPGA Familie mit dieser Technologie ist leider recht teuer (Actel proASIC) Die einzige existierende FPGA Familie mit dieser Technologie ist leider recht teuer (Actel proASIC) Das ändern der Konfiguration ist relativ langsam (mehrere Sekunden) Das ändern der Konfiguration ist relativ langsam (mehrere Sekunden)

35 FPGAs: SRAM Zur Zeit dominierende Technologie. Zur Zeit dominierende Technologie. unpraktischer als FLASH, aber deutlich billiger unpraktischer als FLASH, aber deutlich billiger Beim einschalten des Systems wird die Konfiguration aus einem externen Speicher in den FPGA geladen. Beim einschalten des Systems wird die Konfiguration aus einem externen Speicher in den FPGA geladen. Es werden zusätzliche externe Komponenten benötigt. Es werden zusätzliche externe Komponenten benötigt. Der Chip kann beliebig oft und sehr schnell umkonfiguriert werden. Der Chip kann beliebig oft und sehr schnell umkonfiguriert werden. Bei einigen FPGA-Familien auch teilweise und während des Betriebs. Bei einigen FPGA-Familien auch teilweise und während des Betriebs.

36 FPGAs: SRAM SRAM basierte FPGAs haben dadurch neben dem Update beim Kunde noch weiter Möglichkeiten: SRAM basierte FPGAs haben dadurch neben dem Update beim Kunde noch weiter Möglichkeiten: Anpassen der Schaltung auf eine Probleminstanz (z.B. eine Schaltung, die nach einem speziellen DNA-Muster sucht) Anpassen der Schaltung auf eine Probleminstanz (z.B. eine Schaltung, die nach einem speziellen DNA-Muster sucht) Die Verwendung mehrerer Schaltungen nacheinander in der selben Hardware. Die Verwendung mehrerer Schaltungen nacheinander in der selben Hardware. Buzzword: Reconfigurable Computing Buzzword: Reconfigurable Computing Laden der neuesten Konfiguration über ein Netzwerk. (wie z.B. bei Handies) Laden der neuesten Konfiguration über ein Netzwerk. (wie z.B. bei Handies) Buzzword: Internet Reconfigurable Logic Buzzword: Internet Reconfigurable Logic

37 Grundlagen: Embedded System Kommunikations- schnittstelle anwendungsspezifische Software anwendungsspezifische Hardware Mikrocontroller-Kern FPGAASIC SH DSP Embedded System Umwelt z.B.: Displayz.B.: Auto z.B.: Waschmaschine


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