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

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

Ziel eines ASIC‘s

Hardware: Entwurfsproblematik

Entwicklung der Investitionskosten

Investitionskosten Chipentwicklung

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

Eingebettete Hardware: ASIC Application Specific Integrated Circuit Ein vollständig nach Applikation hergestellter Schaltkreis Hohe Einstiegskosten Euro 25.000 für 2µm Technologie, multi project wafer Euro 250.000 für 0.13 µm Technologie Niedrige Produktionskosten hunderte von Chips auf einem Wafer für Euro 2000 - 6000

ASIC Alle Freiheitsgrade der Technologie können zur Optimierung genutzt werden Beste Implementierung für eine fest vorgegebene Schaltung 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. Einsatzbereich: Standardschaltungen mit hohen Stückzahlen. (Prozessoren, Speicher, FPGAs, ...)

Einteilung der ASIC‘s

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

Semi-Custom ASIC: Gate Array Die Variante mit der größten Verbreitung weltweit 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. Der Kunde kann alle elektrischen Optimierungen vornehmen, hat jedoch keine detaillierte Kontrolle über das Layout.

Gate Array Änderungen sind etwas weniger kosten- und zeitintensiv. Gate Arrays verlieren zur Zeit deutlich Marktanteile an ASICs und FPGAs Dadurch bleiben auch bei modernsten Technologien die Einstiegskosten in der Entwicklung unter Euro 100.000 Die Produktionskosten sind mit denen von Full-Custum ASICs vergleichbar.

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

Wie groß sind FPGAs? Zur Zeit: 8.000 Gatter + 3KByte RAM für $ 8 Nächstes Jahr 40.000.000 Gatter

Wie schnell ist so ein FPGA? Anwendungsbeispiele für Virtex-E FPGAs 32 Bit Prozessoren: 20-50 MHz synthetisiert, single cycle 125 MHz synthetisiert, pipeline 266 MHz DDR SRAM Controller 622 Mbps serieller Link

Welche ASIC Familie ist die beste für mich? Technologische Überlegung zur Applikation: Was brauche ich mindestens um meiner Applikation gerecht zu werden? 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

Technologische Zielfunktion beim Entwurf digitaler Schaltungen

ASICs: Die wichtigsten Kriterien

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

Flächen/Leistungseffizienz

Überlegungen zu Kosten vs. Stückzahl 25000 1845   FPGA MAG CBIC Fixkosten 21800 86000 146000 Euro/Stück 46,8 12 9,6

ASIC Entwicklungzeiten

FPGA Weltmarkt 2003

Umsatzentwicklung FPGA und Prognose

Stagnation bei Rapid Prototyping

Anwendungsbeispiel: Semi-Custom ASIC

Anwendungsbeispiel: ohne FPGA

Anwendungsbeispiel: mit FPGA

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Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe) Die MediaCup ist eine mit Rechnertechnologie ausgestattete Kaffeetasse. Eine in den Tassenboden eingelassene Elektronik erlaubt es, die verschiedenen Zustände einer Tasse (etwa ob jemand trinkt) zu ermitteln und drahtlos zu übertragen. Damit können Kontextinformationen einer Umgebung ermittelt und kommuniziert werden. Die MediaCup zeigt, wie Objekte des Alltags mit Computer- und Kommunikationstechnologie ausgestattet werden können.

Wie funktioniert die Tasse? Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher. Die Elektronik wird kabellos mit Energie versorgt; Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse. Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet. Der Boden der MediaCup besteht in einem aus Gummi gefertigten abnehmbaren Überzieher. In diesen Boden ist die Elektronik der Tasse eingelassen. Wenn die Tasse gespült werden soll, kann der Boden abgenommen werden, um die Elektronik nicht zu beschädigen. Die Elektronik der Tasse wird kabellos mit Energie versorgt. Dazu wurde eine spezielle, ebenfalls elektronisierte Untertasse entwickelt. DieEnergie wird von der Tasse in speziellen Akkus zwischengespeichert; ein 15 minütiger Aufladevorgang kann die Tasse etwa 10 Stunden mit Energie versorgen. Die in der Tasse eingelassene Elektronik erkennt den Bewegungszustand der Tasse (zum Beispiel, ob jemand aus der Tasse trinkt) sowie die Temperatur. Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum kommuniziert. Objekte, die sich ebenfalls in der Umgebung befinden (zum Beispiel Kaffeemaschinen oder einem Web-Server) können diese Informationen empfangen und verwerten, um den Benutzer zu unterstützten und Vorgänge zu automatisieren.

FPGAs: Antifuse 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 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

FPGAs: Flash 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 Die einzige existierende FPGA Familie mit dieser Technologie ist leider recht teuer (Actel proASIC) Das ändern der Konfiguration ist relativ langsam (mehrere Sekunden)

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

FPGAs: SRAM 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) Die Verwendung mehrerer Schaltungen nacheinander in der selben Hardware. Buzzword: Reconfigurable Computing Laden der neuesten Konfiguration über ein Netzwerk. (wie z.B. bei Handies) Buzzword: Internet Reconfigurable Logic

Grundlagen: Embedded System anwendungsspezifische Software anwendungsspezifische Hardware Umwelt z.B.: Waschmaschine SH3 7729-DSP Mikrocontroller-Kern FPGA ASIC Kommunikations- schnittstelle z.B.: Display z.B.: Auto