Projektovanje elektronskih kola

Transcript

1 Projektovanje elektronskih kola Projektovanje elektronskih kola Prof. Dr Predrag Petković, Mr Miljana Sokolović Katedra za elektroniku Elektronski fakultet Niš Sadržaj: I. Uvod - sistem projektovanja II. Analiza primenom računara III. Optimizacija el. kola IV. Logička simulacija V. Projektovanje topologije 2 I. Uvod sistem projektovanja. Osnovni pojmovi Sadržaj:. Osnovni pojmovi 2. Stilovi projektovanja 3. Izbor stila projektovanja 4. Automatizacija projektovanja.2 Faze projektovanja.3 Projektovanje u užem smislu.4 Aspekti projektovanja 3 4 Kako se opisuje projekat? 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 Šta je mobilni telefon? To je sprava koja omogućava bežični telefonski razgovor i prenos poruka u digitalnom obliku. 5 6

2 Kako se opisuje projekat? Šta je mobilni telefon? To je sprava koja ima integrisani mikrofon, ADC, pojačavač, primopredajnik, DAC, antenu Small Power Signal RF RF Power Management Analog Baseband Digital Baseband (DSP + MCU) Kako se opisuje projekat? Šta je mobilni telefon? To je sprava od plastike, dimenzija 0x5x2.5 cm sa LCD ekranom i tastaturom od 8 tastera 7 8 Kako se opisuje projekat? DOMENI opisa projekta. Funkcijonalni opis Šta kolo/sistem radi (opis ponašanja) 2. Strukturni opis Čime se ostvaruje 3. Fizički opis Kako izgleda Kako se opisuje projekat? NIVOI opisa projekta Zavise od toga ŠTA opisujemo Digitalni sistem (PC ili digitalno kolo). Sistemski 2. Algoritamski 3. RTL 4. Logički 5. Električni 9 0 Kako se opisuje projekat? SISTEM Ravan projektovanja između ose domena i ose nivoa (apstrakcije) domen + MODUL GEJT Funkcionalni (ponašanje) Strukturni S n+ KOLO KOMPONENTA G D n+ Fizicki Sistemski (sistem) Algoritamski (modul) RTL (registri) Logicki (gejt) Elektricni (kolo) nivo apstrakcije 2

3 Ravan projektovanja između ose domena i ose nivoa (apstrakcije) domen Funkcionalni (ponašanje) Strukturni Fizicki Sistemski (si stem) l Algoritamski (modu ) RTL ( registri) Logicki (gejt) Elektricn i (kolo) nivo apstrakcije 3 4 Dodavanjem ose aplikacije, ravan prerasta u prostor projektovanja Funkcionalni (ponašanje) Strukturni Fizicki domen Projekat 3 (mobilni telefon) Projekat 2 (PC) Projekat (sat) Sistemski (sistem) Algoritamski (modul) RTL (registri) aplikacija Logicki (gejt) Elektricni (kolo) nivo apstrakcije Projektovanje predstavlja kretanje kroz projektni prostor Prelazak iz opisa ponašanja u strukturni opis predstavlja strukturno projektovanje Prelazak iz strukturnog u fizički je fizičko projektovanje 5 6 PROJEKAT: Sistem Modul Gejt... Kolo... Komponenta PROJEKAT = Funkcija Šta? Struktura Čime? Izgled Kako? 7 8

4 Šta Opis ponašanja (funkcionalni) Opis ponašanja Strukturni opis Čime Strukturni opis Kako Fizički opis Geometrijski opis Faze projektovanja Na osnovu čega se procenjuje uspešnost projektovanog kola? Cena Unošenje zahteva Projektovanje Pouzdanost Brzina (kašnjenje,radna frekvencija) Izrada prototipa Disipacija snage Potrošnja energije Mogućnost skaliranja sa promenom tehnologije Kvalifikacija za proizvodnju Projektovanje u užem smislu.4. Aspekti projektovanja Projektovanje logicke i elektricne šeme Fizicko projektovanje Sinteza Verifikacija Sinteza Verifikacija. 2. Sistemski aspekt projektovanja 3. Aspekt testiranja

5 .4. Aspekti projektovanja Tehnološki 250 Minimalna dimenzija [ nm] Prvi tranzistor Bell Labs, 948 Walter Houser Brattain, John Bardeen, William Bradford Shockley Nobelova nagrada za fiziku Prvo integrisano kolo Texas Instruments, 959 Jack Kilby Intel 4004 Micro-Processor Intel Pentium (IV) microprocessor ½ Nobelova nagrada za fiziku x mm transistors MHz operation 28 Murov zakon (965) Broj tranzistora na čipu udvostručava se svakih 8-24 meseci LOG 2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION Electronics, April 9, Broj tranzistora x Murov zakon primenjen na mikroprocesore Porast 2X za.96 godina! 0 P6 Pentium proc Broj tranzistora u vodećim mikroprocesorima udvostručava se na svake 2 godine Godina 29 30

6 Dimenzija čipa (mm) P6 486 Pentium proc Godišnji rast ~7% Rast za 0 godina ~2X Godina Dimenzija čipa raste 4% da bi se zadovoljio Murov zakon Frekvencija (Mhz) Udvostručava se na 2 godine P6 Pentium proc Godina Radna frekvencija mikroprocesora udvostručava se na svake 2 godine 3 32 P (W) P6 Pentium proc Godina Snaga i dalje raste P (W) Pentium proc 8KW 5KW.5KW 500W Godina Napajanje i disipacija snage postaće veliki problem! Sistemski aspekt projektovanja Gustina snage (W/cm2) Raketni Motor Nuclearni Reaktor Ringla P6 Pentium proc Godina Gustina snage je velika i čip se greje 35 36

7 Sistemski aspekt projektovanja Poređenje sa razvojem avio industrije Prvi let braća Rajt obavila su 903. Prvi putnički avion na mlazni pogon 959. ~000km/h Aspekt testiranja Odgovor na pitanje da li su zadovoljeni projektni zahtevi Ne unosi novu vrednost brzina 48km/h Danas, posle 45 godina, avioni lete istom brzinom Aspekt testiranja Aspekt testiranja 00 Troškovi testiranja po defektu 0 Pravilo 0x Testiranje komponente u fazi proizvodnje testiranje komponenata testiranje ploca testiranje sistema Tržište Elektronskih uređaja u godini $ Poluprovodnička industrija $ Tržište mobilnih telefona (Broj prodatih) Godina Količina 48M 86M 62M 260M 435M Small Power Signal RF RF Power Management Analog Baseband (podaci iz Texas Instruments) Digital Baseband (DSP + MCU) 4 42

8 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 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 ($00 000) Cena jednog peleta pelet (die) Ploča (Wafer) From

9 Očekuje se porast veličine pločice na 2 (30cm) Prinos po pločici (Yield) N di Y= x00 % N d N di - broj ispravnih peleta N d ukupan broj peleta na pločici ( Dw/2) π Nd = Ad C w C d = N d x Y 2 π Dw 2 Ad D w prečnik pločice A d površina peleta Troškovi po peletu C d Troškovi po pločici C w broj defekata po jedinici površine x A d Y d =(+ ) α α ª 3 Prinos po peletu troškovi izrade peleta, C d = f (A d ) 4 α 5 52 troškovi: -po-tranzistoru Cena po tranzistoru Troškovi izrade po tranzistoru prate Murov zakon Čip 386DX 486 DX2 Power PC 60 Metal layers Line width Wafer cost $900 $200 $700 Def./ cm Area mm Dies/ wafer Yield 7% 54% 28% Die cost $4 $2 $ HP PA 700 DEC Alpha $300 $ % 9% $73 $ Super Sparc Pentium $700 $ % 9% $272 $

10 IP - Intelektualna svojina prava vezana za IP proističu iz zaštite: Znaka Patenta Autorskog prava nad kopijom književnog dela Prava na javno izvođenje Registrovanih oblika i likova Projekata 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,... Kako stimulisati inventivnost? Kako zaštititi IP na složeni el. sistem? 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. 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,...) Korporacijski standardi Standardi 59 60

11 6 62 Nacionalni standardi Institution for Standardization of Serbia and Montenegro Broj elektronskih uređaja u upotrebi postaje sve veći! Da li ćemo imati dovoljno energije za njihov rad? Rešenje tražiti još tokom projektovanja: Projektovanje za prirodnu okolinu Raste broj elektronskih uređaja van upotrebe! Šta raditi sa uređajima koji se ne koriste? Glavni problemi Potrošnja energije Zagađenje istrošenim proizvodima Zagađivanje otrovnim materijalima 65 66

12 Potrošnja energije 995. godine PC računari samo za profesionalnu upotrebu potrošili MWh! I najmanje smanjenje potrošnje kada se pomnoži brojem uređaja dovodi do značajnih ušteda SAD troše 0GW 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 00W daje 50 MWh uštede > od cene bakra. 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, Zagađenje istrošenim proizvodima Tehnološki vek pojedinih uređaja (podaci iz 999.) 998. 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 999. je 3, godina! Gomilanje elektronskog otpada! 7 72

13 Projektovanje za prirodnu okolinu: Briga o zdravlju Briga o prirodnoj okolini i sigurnosti tokom čitavog životnog Gomilanje veka proizvoda elektronskog otpada! 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 $0M i od prodaje materijala $5M Projektovanje za ponovnu upotrebu: EDL Electronic Data Log (EEPROM pamti režim rada uređaja radi procene oporavka) Ponovna upotreba Materijali Jedinjenja Pt, Au, Ag Tvrda plastika Ni, Cu, Zn Nerđajući čelik Al PVC Komponente IC Monitori Izvori za napajanje Reciklaža Isplativost: fizičke karakteristike Cena reciklaže Postupak: Odvajanje prema tipu materijala Odvajanje ručno i mašinsko Obrada materijala Hg Staklo Displeji Odlaganje Zatrpavanje Spaljivanje Izvoz 77 78

14 2002. Preporuke EU Novi materijali Smanjenje količine otpada Obaveza sakupljanja vraćanje proizvođaču, ponovna upotreba, reciklaža Smanjiti rizik odlaganja Novi materijali, smanjenje upotrebe rizičnih materijala Rukovanje otpadom U skladu sa prirodom I. Uvod ISO 4000 i rezultati SGS Tomphson primena principa PPO dovelo do povećanja profita: energija sa 680kWh/$000 na 550kWh/$000 voda,3m 3 /$000 na 7,8m 3 /$000 Otpad sa 7% na 35% Potrošnja papira 200t/god na 800t/god Sadržaj:. Osnovni pojmovi 2. Stilovi projektovanja 3. Izbor stila projektovanja 4. Automatizacija projektovanja 8 82