Projektovanje elektronskih kola

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

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

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

Šta Opis ponašanja (funkcionalni) Opis ponašanja Strukturni opis Čime Strukturni opis Kako Fizički opis Geometrijski opis 9 20. 2 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 2 22. 3 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 4. 5. 23 24

.4. Aspekti projektovanja Tehnološki 250 Minimalna dimenzija [ nm] Prvi tranzistor Bell Labs, 948 Walter Houser Brattain, John Bardeen, William Bradford Shockley 80 30 00 Nobelova nagrada za fiziku 956 70 50 35 999 200 2003 2005 2007 2009 20 25 26 Prvo integrisano kolo Texas Instruments, 959 Jack Kilby Intel 4004 Micro-Processor Intel Pentium (IV) microprocessor ½ Nobelova nagrada za fiziku 2000..5625 x 0.9375 mm 27 97 000 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 6 5 4 3 2 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 Electronics, April 9, 965. 959 960 96 962 963 964 965 966 967 968 969 970 97 972 973 974 975 Broj tranzistora x 000 000 00 Murov zakon primenjen na mikroprocesore Porast 2X za.96 godina! 0 P6 Pentium proc 486 386 0. 286 8085 8086 0.0Broj tranzistora 4004 8008 8080 u vodećim mikroprocesorima udvostručava se na svake 2 godine 0.00 970 980 990 2000 200 Godina 29 30

Dimenzija čipa (mm) 00 0 8080 8085 8008 4004 8086 286386 P6 486 Pentium proc Godišnji rast ~7% Rast za 0 godina ~2X 970 980 990 2000 200 Godina Dimenzija čipa raste 4% da bi se zadovoljio Murov zakon Frekvencija (Mhz) 0000 000 00 0 0. Udvostručava se na 2 godine P6 Pentium proc 486 8085 386 8086 286 8080 8008 4004 970 980 990 2000 200 Godina Radna frekvencija mikroprocesora udvostručava se na svake 2 godine 3 32 P (W) 0 0. 486 8086 286 386 8085 8080 8008 4004 P6 Pentium proc 97 974 978 985 992 2000 Godina Snaga i dalje raste P (W) 00000 0000 000 00 0 0. 8085 8086286 386 486 4004 80088080 Pentium proc 8KW 5KW.5KW 500W 97 974 978 985 992 2000 2004 2008 Godina Napajanje i disipacija snage postaće veliki problem! 33 34 Sistemski aspekt projektovanja Gustina snage (W/cm2) 0000 000 00 0 8086 4004 8008 8085 8080 Raketni Motor Nuclearni Reaktor Ringla 286 386 486 P6 Pentium proc 970 980 990 2000 200 Godina Gustina snage je velika i čip se greje 35 36

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 37 38 Aspekt testiranja Aspekt testiranja 00 Troškovi testiranja po defektu 0 Pravilo 0x Testiranje komponente u fazi proizvodnje testiranje komponenata testiranje ploca testiranje sistema 39 40 Tržište Elektronskih uređaja u 2003. godini $ 00 000 000 000 Poluprovodnička industrija $ 69 000 000 000 Tržište mobilnih telefona (Broj prodatih) Godina 996 997 998 999 2000 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

Zadatak svih fabrika na svetu je da proizvode samo jadan artikal 43 44 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 45 46 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 http://www.amd.com 47 48

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 49 50 ( 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 0. 0.0 Cena po tranzistoru Troškovi izrade po tranzistoru prate Murov zakon Čip 386DX 486 DX2 Power PC 60 Metal layers 2 3 4 Line width 0.90 0.80 0.80 Wafer cost $900 $200 $700 Def./ cm 2.0.0.3 Area mm 2 43 8 2 Dies/ wafer 360 8 5 Yield 7% 54% 28% Die cost $4 $2 $53 0.00 0.000 0.0000 HP PA 700 DEC Alpha 3 3 0.80 0.70 $300 $500.0.2 96 234 66 53 27% 9% $73 $49 0.00000 0.000000 982 985 988 99 994 997 2000 2003 2006 2009 202 Super Sparc Pentium 3 3 0.70 0.80 $700 $500.6.5 256 296 48 40 3% 9% $272 $47 53 54

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? 55 56 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 57 58 Standardi 59 60

6 62 Nacionalni standardi Institution for Standardization of Serbia and Montenegro 63 64 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

Potrošnja energije 995. 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 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,... 67 68 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 69 70 Tehnološki vek računara proizvedenih 999. je 3, godina! Gomilanje elektronskog otpada! 7 72

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 994-997 prerađeno 30 000t, 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) 73 74 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 75 76 Odlaganje Zatrpavanje Spaljivanje Izvoz 77 78

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 79 80 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