Projektovanje elektronskih kola

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

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

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+ 11 12

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 13 14 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

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 17 18 PROJEKAT = Funkcija Šta? Struktura Čime? Izgled Kako? Šta Opis ponašanja (funkcionalni) Čime Strukturni opis Kako Fizički opis 19 20

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 21 22 1. 2 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

1.4. Aspekti projektovanja 1.4. Aspekti projektovanja 1. Tehnološki aspekt projektovanja 2. Sistemski aspekt projektovanja 3. Aspekt testiranja 4. 5. Tehnološki 250 180 130 100 Minimalna dimenzija [ nm] 70 50 35 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 25 26 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, 1952. Dummer unsuccessfully attempted to build such a circuit in 1956. 27 28

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 2000. 1.5625 x 10.9375 mm 1971 1000 transistors 1 MHz operation 29 30 Tehnološki aspekt projektovanja Tehnološki aspekt projektovanja Murov zakon (1965) Broj tranzistora na čipu udvostručava se svakih 18-24 meseci LOG 2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Electronics, April 19, 1965. 1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 Broj tranzistora x 1.000.000 1000 100 Murov zakon primenjen na mikroprocesore Porast 2X za 1.96 godina! 10 P6 Pentium proc 1 486 0.1 286 386 8085 8086 0.01Broj tranzistora 4004 8008 8080 u vodećim mikroprocesorima udvostručava se na svake 2 godine 0.001 1970 1980 1990 2000 2010 Godina 31 32

Dimenzija čipa (mm) 100 10 1 8080 8085 8008 4004 Tehnološki aspekt projektovanja 8086 286386 P6 486 Pentium proc Godišnji rast ~7% Rast za 10 godina ~2X 1970 1980 1990 2000 2010 Godina Dimenzija čipa raste 14% da bi se zadovoljio Murov zakon Frekvencija (Mhz) 10000 1000 100 10 1 0.1 Tehnološki aspekt projektovanja Udvostručava se na 2 godine P6 Pentium proc 486 8085 386 8086 286 8080 8008 4004 1970 1980 1990 2000 2010 Godina Radna frekvencija mikroprocesora udvostručava se na svake 2 godine 33 34 Tehnološki aspekt projektovanja Tehnološki aspekt projektovanja P (W) 10 1 8085 8080 8008 4004 8086 286 486 386 P6 Pentium proc P (W) 100000 10000 1000 100 10 1 8085 8086286 386 486 4004 80088080 Pentium proc 18KW 5KW 1.5KW 500W 0.1 1971 1974 1978 1985 1992 2000 Godina Snaga i dalje raste 0.1 1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008 Godina Napajanje i disipacija snage postaće veliki problem! 35 36

Intel Pentium processor Extreme Edition die Gustina snage (W/cm2) 10000 1000 100 10 1 4004 8008 8080 Tehnološki aspekt projektovanja Raketni Motor Nuclearni Reaktor 8086 Ringla 8085 286 386 486 P6 Pentium proc 1970 1980 1990 2000 2010 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 37 38 Sistemski aspekt projektovanja Sistemski aspekt projektovanja Poređenje sa razvojem avio industrije Prvi let braća Rajt obavila su 1903. Prvi putnički avion na mlazni pogon 1959. ~1000km/h brzina 48km/h Danas, posle 45 godina, avioni lete istom brzinom 39 40

Aspekt testiranja Aspekt testiranja Odgovor na pitanje da li su zadovoljeni projektni zahtevi Ne unosi novu vrednost 100 10 1 Troškovi testiranja po defektu Pravilo 10x1 testiranje komponenata testiranje ploca testiranje sistema 41 42 Aspekt testiranja Testiranje komponente u fazi proizvodnje Tržište Elektronskih uređaja u 2003. godini $ 1 100 000 000 000 Poluprovodnička industrija $ 169 000 000 000 43 44

Tržište mobilnih telefona (Broj prodatih) Godina 1996 1997 1998 1999 2000 Small Signal RF Power RF Količina 48M 86M 162M 260M 435M Power Management Analog Baseband (podaci iz Texas Instruments) Digital Baseband (DSP + MCU) 45 46 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

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 ($100 000) 49 50 Cena jednog peleta pelet (die) Ploča (Wafer) Očekuje se porast veličine pločice na 12 (30cm) From http://www.amd.com 51 52

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 53 54 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 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001 Troškovi izrade po tranzistoru prate Murov zakon 0.0000001 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 55 56

Čip 386DX Metal layers 2 Line width 0.90 Wafer cost $900 Def./ cm 2 1.0 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 3 4 3 3 0.80 0.80 0.80 0.70 $1200 $1700 $1300 $1500 1.0 1.3 1.0 1.2 81 121 196 234 181 115 66 53 54% 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 3 0.70 $1700 1.6 256 48 13% $272 Kako stimulisati inventivnost? Pentium 3 0.80 $1500 1.5 296 40 9% $417 Kako zaštititi IP na složeni el. sistem? 57 58 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. 59 60

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 61 62 63 64

Nacionalni standardi Institution for Standardization of Serbia and Montenegro 65 66 1.4. Aspekti projektovanja http://www.jus.org.yu/ 1. Tehnološki aspekt projektovanja 2. Sistemski aspekt projektovanja 3. Aspekt testiranja 4. 5. 67 68

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 69 70 Potrošnja energije 1995. godine PC računari samo za profesionalnu upotrebu potrošili 60 000 000 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

Zagađenje istrošenim proizvodima Tehnološki vek pojedinih uređaja (podaci iz 1999.) 1998. 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 73 74 Tehnološki vek računara proizvedenih 1999. je 3,1 godina! Gomilanje elektronskog otpada! 75 76

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 1994-1997 prerađeno 30 000t, ušteda $50M, zarada od prodaje komponentata $10M i od prodaje materijala $5M. 77 78 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

Reciklaža Isplativost: fizičke karakteristike Cena reciklaže Postupak: Odvajanje prema tipu materijala Odvajanje ručno i mašinsko Obrada materijala 81 82 Odlaganje Zatrpavanje Spaljivanje Izvoz 2002. Preporuke EU Smanjenje količine otpada Obaveza sakupljanja vraćanje proizvođaču, ponovna upotreba, reciklaža 83 84

2002. Preporuke EU Smanjiti rizik odlaganja Novi materijali, smanjenje upotrebe rizičnih materijala Rukovanje otpadom U skladu sa prirodom Novi materijali 85 86 I. Uvod ISO 14000 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