Projektovanje elektronskih kola

Transcript

1 Projektovanje elektronskih kola Projektovanje elektronskih kola Prof. Dr Predrag Petković, Mr Miljana Sokolović Katedra za elektroniku Elektronski fakultet Niš Literatura: V. Litovski Projektovanje elektronskih kola Simulacija Optimizacija Testiranje Fizičko projektovanje P. Petković,M.Sokolović, B. anđelković Projektovanje integrisanih kola VHDL simulacija i sinteza 1 2 Projektovanje elektronskih kola I. Uvod sistem projektovanja Sadržaj: I. Uvod - sistem projektovanja II. Analiza primenom računara III. Optimizacija el. kola IV. Logička simulacija Sadržaj: 1. Osnovni pojmovi 2. Stilovi projektovanja 3. Izbor stila projektovanja 4. Automatizacija projektovanja 3 4

2 1. Osnovni pojmovi 1.2 Faze projektovanja 1.3 Projektovanje u užem smislu 1.4 Aspekti projektovanja Projektovanje (el. kola) podrazumeva skup aktivnosti koje od opisa željene funkcije kola dovode do realizacije prototipa. Ove aktivnosti rezultiraju potpunom dokumentacijom neophodnom da bi kolo ušlo u redovnu proizvodnju 5 6 Kako se opisuje projekat? Kako se opisuje projekat? Šta je mobilni telefon? Šta je mobilni telefon? To je sprava koja omogućava bežični telefonski razgovor i prenos poruka u digitalnom obliku. To je sprava koja ima integrisani mikrofon, ADC, pojačavač, primopredajnik, DAC, antenu Small Signal RF Analog Baseband Power RF Power Management Digital Baseband (DSP + MCU) 7 8

3 Kako se opisuje projekat? Šta je mobilni telefon? Kako se opisuje projekat? DOMENI opisa projekta To je sprava od plastike, dimenzija 10x5x2.5 cm sa LCD ekranom i tastaturom od 18 tastera 1. Funkcijonalni opis Šta kolo/sistem radi (opis ponašanja) 2. Strukturni opis Čime se ostvaruje 3. Fizički opis Kako izgleda 9 10 Kako se opisuje projekat? Kako se opisuje projekat? NIVOI opisa projekta Zavise od toga ŠTA opisujemo Digitalni sistem (PC ili digitalno kolo) 1. Sistemski 2. Algoritamski 3. RTL 4. Logički 5. Električni + S n+ SISTEM MODUL GEJT KOLO KOMPONENTA G D n

4 Ravan projektovanja između ose domena i ose nivoa (apstrakcije) Funkcionalni (ponašanje) domen Ravan projektovanja između ose domena i ose nivoa (apstrakcije) Funkcionalni (ponašanje) domen Strukturni Strukturni Fizicki Sistemski (sistem) Algoritamski (modul) RTL (registri) Logicki (gejt) Elektricni (kolo) nivo apstrakcije Fizicki Sistemski (si stem) Algoritamski (modu ) RTL( registri) Logicki (gejt) Elektricn i (kolo) nivo apstrakcije Dodavanjem ose aplikacije, ravan prerasta u prostor projektovanja domen Funkcionalni (ponašanje) Strukturni Fizicki Projekat 3 (mobilni telefon) Projekat 2 (PC) Projekat 1 (sat) Sistemski (sistem) Algoritamski (modul) RTL (registri) aplikacija Logicki (gejt) Elektricni (kolo) nivo apstrakcije 15 16

5 Projektovanje predstavlja kretanje kroz projektni prostor Prelazak iz opisa ponašanja u strukturni opis predstavlja strukturno projektovanje PROJEKAT: Sistem Modul Gejt... Kolo... Komponenta Prelazak iz strukturnog u fizički je fizičko projektovanje PROJEKAT = Funkcija Šta? Struktura Čime? Izgled Kako? Šta Opis ponašanja (funkcionalni) Čime Strukturni opis Kako Fizički opis 19 20

6 Opis ponašanja Strukturni opis Geometrijski opis Na osnovu čega se procenjuje uspešnost projektovanog kola? Cena Pouzdanost Brzina (kašnjenje,radna frekvencija) Disipacija snage Potrošnja energije Mogućnost skaliranja sa promenom tehnologije Faze projektovanja 1. 3 Projektovanje u užem smislu Unošenje zahteva Projektovanje Izrada prototipa Kvalifikacija za proizvodnju Pro jekto va nje logicke i elektricne šem e Fizic ko projektovanje Sinte za Verifikac ija Sinte za Verifikac ija 23 24

7 1.4. Aspekti projektovanja 1.4. Aspekti projektovanja 1. Tehnološki aspekt projektovanja 2. Sistemski aspekt projektovanja 3. Aspekt testiranja Tehnološki Minimalna dimenzija [ nm] Tehnološki aspekt projektovanja Tehnološki aspekt projektovanja Prvi tranzistor Bell Labs, 1948 Walter Houser Brattain, John Bardeen, William Bradford Shockley Nobelova nagrada za fiziku 1956 The integrated circuit was first conceived by a radar scientist, Geoffrey W.A. Dummer (born 1909), working for the Royal Radar Establishment of the British Ministry of Defence, and published in Washington, D.C. on May 7, Dummer unsuccessfully attempted to build such a circuit in

8 Tehnološki aspekt projektovanja Tehnološki aspekt projektovanja Prvo integrisano kolo Texas Instruments, 1959, February 6 Jack Kilby Intel 4004 Micro-Processor Intel Pentium (IV) microprocessor ½ Nobelova nagrada za fiziku x mm transistors 1 MHz operation Tehnološki aspekt projektovanja Tehnološki aspekt projektovanja Murov zakon (1965) Broj tranzistora na čipu udvostručava se svakih meseci LOG 2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION Electronics, April 19, Broj tranzistora x Murov zakon primenjen na mikroprocesore Porast 2X za 1.96 godina! 10 P6 Pentium proc Broj tranzistora u vodećim mikroprocesorima udvostručava se na svake 2 godine Godina 31 32

9 Dimenzija čipa (mm) Tehnološki aspekt projektovanja P6 486 Pentium proc Godišnji rast ~7% Rast za 10 godina ~2X Godina Dimenzija čipa raste 14% da bi se zadovoljio Murov zakon Frekvencija (Mhz) Tehnološki aspekt projektovanja Udvostručava se na 2 godine P6 Pentium proc Godina Radna frekvencija mikroprocesora udvostručava se na svake 2 godine Tehnološki aspekt projektovanja Tehnološki aspekt projektovanja P (W) P6 Pentium proc P (W) Pentium proc 18KW 5KW 1.5KW 500W Godina Snaga i dalje raste Godina Napajanje i disipacija snage postaće veliki problem! 35 36

10 Intel Pentium processor Extreme Edition die Gustina snage (W/cm2) Tehnološki aspekt projektovanja Raketni Motor Nuclearni Reaktor 8086 Ringla P6 Pentium proc Godina Gustina snage je velika i čip se greje Tehnološki aspekt projektovanja Procesori sa dva jezgra (od aprila 2005.) Intel Pentium processor Extreme Edition die AMD Athlon 64 X2 Dual-Core Processor for Desktop Sistemski aspekt projektovanja Sistemski aspekt projektovanja Poređenje sa razvojem avio industrije Prvi let braća Rajt obavila su Prvi putnički avion na mlazni pogon ~1000km/h brzina 48km/h Danas, posle 45 godina, avioni lete istom brzinom 39 40

11 Aspekt testiranja Aspekt testiranja Odgovor na pitanje da li su zadovoljeni projektni zahtevi Ne unosi novu vrednost Troškovi testiranja po defektu Pravilo 10x1 testiranje komponenata testiranje ploca testiranje sistema Aspekt testiranja Testiranje komponente u fazi proizvodnje Tržište Elektronskih uređaja u godini $ Poluprovodnička industrija $

12 Tržište mobilnih telefona (Broj prodatih) Godina Small Signal RF Power RF Količina 48M 86M 162M 260M 435M Power Management Analog Baseband (podaci iz Texas Instruments) Digital Baseband (DSP + MCU) Zadatak svih fabrika na svetu je da proizvode samo jadan artikal Fiksni troškovi Vreme i cena projektovanja Cena izrade maske Ostali fiksni troškovi (zakupnina prostora,...) Proporcionalni troškovi Cena urošenog materijala (silicijuma), pakovanja (kućišta), testiranja Proporcionalni veličini serije Proporcionalni površini čipa 47 48

13 Raste cena fiksnih troškova Na porast fiksnih troškova utiče rast troškova projektovanja: Projektanti su skupi i postaju skuplji obrazovanje uslovi rada uslovi života Investicije u novi hardver Investicije u novu softver ($ ) Cena jednog peleta pelet (die) Ploča (Wafer) Očekuje se porast veličine pločice na 12 (30cm) From

14 Prinos po pločici (Yield) N d π = ( Dw/2) A d 2 π D w 2 A d D w prečnik pločice A d površina peleta N di Y= x100 % N d N di - broj ispravnih peleta N d ukupan broj peleta na pločici C d = C w N d x Y Troškovi po peletu C d Troškovi po pločici C w Prinos po peletu Cena po tranzistoru broj defekata po jedinici površine x A d Y d =(1+ ) α α ª 3 troškovi izrade peleta, C d = f (A d ) 4 α troškovi: -po-tranzistoru Troškovi izrade po tranzistoru prate Murov zakon

15 Čip 386DX Metal layers 2 Line width 0.90 Wafer cost $900 Def./ cm Area mm 2 43 Dies/ wafer 360 Yield 71% Die cost $4 IP - Intelektualna svojina prava vezana za IP proističu iz zaštite: 486 DX2 Power PC 601 HP PA 7100 DEC Alpha $1200 $1700 $1300 $ % 28% 27% 19% $12 $53 $73 $149 Znaka Patenta Autorskog prava nad kopijom književnog dela Prava na javno izvođenje Registrovanih oblika i likova Projekata Super Sparc $ % $272 Kako stimulisati inventivnost? Pentium $ % $417 Kako zaštititi IP na složeni el. sistem? Predmet zaštite: Hardver Patent Softver Autorsko pravo nad kopijom književnog dela Baza podataka Posebno pravo na organizaciju i sadržaj baze Integrisano kolo Zaštita lejauta, imena,... Standardi Dokumenti koji sadrže usaglašena pravila, uputstva ili karakteristike koje se odnose na aktivnosti (proizvodnja i upravljanje) i njihove rezultate (gotova roba). Uređuju i obezbeđuju kompatibilnost proizvoda različitih proizvodjača. Njihovo poštovanje predstavlja preduslov za kvalitet proizvoda

16 Standardi Međunarodni : ISO International Organization for Standardization IEC International Electrotechnical Commision ITU International Telecommunication Union Regionalni: CEN European Committee for Standardization CENELEC (Elektrotehnika) ETSI (Telekomunikacije) Nacionalni standardi (JUS, DIN, ANSI, ГОСТ,...) Standardi Korporacijski standardi

17 Nacionalni standardi Institution for Standardization of Serbia and Montenegro Aspekti projektovanja 1. Tehnološki aspekt projektovanja 2. Sistemski aspekt projektovanja 3. Aspekt testiranja

18 Broj elektronskih uređaja u upotrebi postaje sve veći! Da li ćemo imati dovoljno energije za njihov rad? Raste broj elektronskih uređaja van upotrebe! Šta raditi sa uređajima koji se ne koriste? Rešenje tražiti još tokom projektovanja: Projektovanje za prirodnu okolinu Glavni problemi Potrošnja energije Zagađenje istrošenim proizvodima Zagađivanje otrovnim materijalima Potrošnja energije godine PC računari samo za profesionalnu upotrebu potrošili MWh! I najmanje smanjenje potrošnje kada se pomnoži brojem uređaja dovodi do značajnih ušteda SAD troše 10GW za napajanje isključenih uređaja! Debljina žice za instalacije 2R daje 75% uštede disipirane snage Da li se isplati štedeti bakar ili energiju? Za 50 godina ušteda od 100W daje 50 MWh uštede > od cene bakra. 71 Potrošnja energije Kada su u pitanju PC važe sledeće preporuke u normalnom radnom režimu Sistemski projektovati za manju potrošnju Smanjiti napon napajanja Strogo kontrolisati procese i napajati samo aktivne delove,... u sleep režimu Smanjiti frekvenciju takta na matičnoj ploči Isključiti diskove Isključiti video kontroler DRAM prebaciti u režim sporog osvežavanja,... 72

19 Zagađenje istrošenim proizvodima Tehnološki vek pojedinih uređaja (podaci iz 1999.) godine u EU je 5% ukupnog gradskog tvrdog otpada potiče od elektronskih uređaja Značajno gomilanje materijala, ali i opasnih materija (u izradi štampanih ploča samo 7% početnog materijala ostaje, a 93% predstavlja hemijski otpad kalajno/olovni lem opasan po zdravlje ljudi Tehnološki vek računara proizvedenih je 3,1 godina! Gomilanje elektronskog otpada! 75 76

20 Projektovanje za prirodnu okolinu: Briga o zdravlju Briga o prirodnoj okolini i sigurnosti tokom čitavog životnog veka proizvoda Osnovne smernice Projektovanje za preradu Projektovanje za reciklažu Projektovanje za produženje životnog veka proizvoda Ponovna upotreba Donacije neprofitabilnim grupama Prodaja preprodavcima Interni programi za ponovnu upotrebu U IBM više pogona za rastavljanje upotrebljivih računara prerađeno t, ušteda $50M, zarada od prodaje komponentata $10M i od prodaje materijala $5M Ponovna upotreba Ponovna upotreba Projektovanje za ponovnu upotrebu: EDL Electronic Data Log Materijali Pt, Au, Ag Jedinjenja Tvrda plastika Komponente IC (EEPROM pamti režim rada uređaja radi procene oporavka) Ni, Cu, Zn Nerđajući čelik Monitori Al PVC Izvori za napajanje Hg Staklo Displeji 79 80

21 Reciklaža Isplativost: fizičke karakteristike Cena reciklaže Postupak: Odvajanje prema tipu materijala Odvajanje ručno i mašinsko Obrada materijala Odlaganje Zatrpavanje Spaljivanje Izvoz Preporuke EU Smanjenje količine otpada Obaveza sakupljanja vraćanje proizvođaču, ponovna upotreba, reciklaža 83 84

22 2002. Preporuke EU Smanjiti rizik odlaganja Novi materijali, smanjenje upotrebe rizičnih materijala Rukovanje otpadom U skladu sa prirodom Novi materijali I. Uvod ISO i rezultati SGS Tomphson primena principa PPO dovelo do povećanja profita: energija sa 680kWh/$1000 na 550kWh/$1000 voda 11,3m 3 /$1000 na 7,8m 3 /$1000 Otpad sa 71% na 35% Potrošnja papira 1200t/god na 800t/god Sadržaj: 1. Osnovni pojmovi 2. Stilovi projektovanja 3. Izbor stila projektovanja 4. Automatizacija projektovanja 87 88