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ESYCS - Studie 7 ESYCS - Studie 7 „Embedded „Embedded Hardware“Hardware“Ein Überblick über Ein Überblick über
ASIC – TechnologieASIC – Technologie
Ulrich WagnerUlrich Wagner
InhaltInhalt
Kostenproblematik des Kostenproblematik des ChipdesignsChipdesigns
ASIC – Überblick über die ASIC – Überblick über die TechnologieTechnologie
EntscheidungskriterienEntscheidungskriterien AnwendungsbeispieleAnwendungsbeispiele
Ziel eines ASIC‘sZiel eines ASIC‘s
MPC860
(16348 KByte, 4442 Bits, 357 Pins)
3
5
7
9
3
5
7
9
11
13
15
3 5 7 9 11 13 15
Firmware [log2(Bits)]
17
19
13
15
17
Technologie [log2(Pins)]
17 19 21
Funktionalität [log2(KByte)]
Y
X
Z
1
21
19
21
C167
(1024 KByte, 3280 Bits, 144 Pins)
Hardware: Hardware: EntwurfsproblematikEntwurfsproblematik
MC8051
(128 KByte, 184 Bits, 40 Pins )
Entwicklung der Entwicklung der InvestitionskostenInvestitionskosten
Kosten pro Fab
0,08 µm0,13 µm/0,1 µm
0,18 µm0,25 µm
0,35 µm0,5 µm
0,7 µm1 µm
1,5 µm2 µm
3 µm5 µm
10
100
1000
10000
100000
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Jahr
Mill
ion
en €
Investitionskosten Investitionskosten ChipentwicklungChipentwicklung
NRE-Kosten (Masken- und Prototypenfertigung)
1
10
100
1000
10µ 5µ 3µ 2µ 1,5µ 1,0µ 0,7µ 0,5µ 0,35µ 0,25µ 0,18µ 0,13µ 0,1µ
T€ Gate Array
Standard Cell
Technologieentwicklung Technologieentwicklung seit 57 seit 57
Stand
arti
sier
ung
Spez
ialis
ieru
ng
5767
7787
9707
stand. diskrete Bauelemente
spez. IC's für TV+Comp.
stand. Speicher und µProz.
ASICs
Prog.-bare Logic- und Bauelemente
Makimoto Wave in der Elektronik Industrie
Ständiger Wechsel zwischen Ständiger Wechsel zwischen Standardisierung und Standardisierung und Spezialisierung im 10 Jahres TaktSpezialisierung im 10 Jahres Takt
Eingebettete Hardware: Eingebettete Hardware: ASICASIC
Application Specific Integrated CircuitApplication Specific Integrated Circuit Ein vollständig nach Applikation hergestellter Ein vollständig nach Applikation hergestellter
SchaltkreisSchaltkreis Hohe EinstiegskostenHohe Einstiegskosten
Euro 25.000 für 2µm Technologie, multi Euro 25.000 für 2µm Technologie, multi project waferproject wafer
Euro 250.000 für 0.13 µm TechnologieEuro 250.000 für 0.13 µm Technologie Niedrige ProduktionskostenNiedrige Produktionskosten
hunderte von Chips auf einem Wafer für Euro hunderte von Chips auf einem Wafer für Euro 2000 - 60002000 - 6000
ASICASIC Alle Freiheitsgrade der Technologie können zur Alle Freiheitsgrade der Technologie können zur
Optimierung genutzt werdenOptimierung genutzt werden Beste Implementierung für eine fest Beste Implementierung für eine fest
vorgegebene Schaltungvorgegebene Schaltung Fehlerbehebung und nachträgliche Änderungen Fehlerbehebung und nachträgliche Änderungen
oder Optimierungen sind sehr teueroder Optimierungen sind sehr teuer Der Chip muß so entworfen werden, daß er in Der Chip muß so entworfen werden, daß er in
allen in Frage kommenden Anwendungen allen in Frage kommenden Anwendungen verwendet werden kann.verwendet werden kann.
Einsatzbereich: Standardschaltungen mit hohen Einsatzbereich: Standardschaltungen mit hohen Stückzahlen. (Prozessoren, Speicher, FPGAs, ...)Stückzahlen. (Prozessoren, Speicher, FPGAs, ...)
Einteilung der ASIC‘sEinteilung der ASIC‘s
Application Specific IC
Programmable ASIC Semi Custom ASIC Custon ASIC
PLD
FPGA
Memories
MCU
Gate Array
Linear Array
Cell Based IC
Full Custom IC
Full Custom ASICFull Custom ASIC
Nur in Anwendungen mit größten Nur in Anwendungen mit größten StückzahlenStückzahlen
Entwicklung nur in der Chip-Fab Entwicklung nur in der Chip-Fab möglichmöglich
Gesamtlayout wird als Maske in der Gesamtlayout wird als Maske in der Chip-Fab nach Kundenwunsch Chip-Fab nach Kundenwunsch erstellterstellt
Belichtung und Packaging ebensoBelichtung und Packaging ebenso
Semi-Custom ASIC: Gate Semi-Custom ASIC: Gate ArrayArray
Die Variante mit der größten Verbreitung Die Variante mit der größten Verbreitung weltweitweltweit
Beim Gate Array werden die meisten Beim Gate Array werden die meisten Herstellungsschritte kundenunabhängig Herstellungsschritte kundenunabhängig durchgeführt.durchgeführt.
Die Lage der IO-Pads, Transistoren, etc. sind Die Lage der IO-Pads, Transistoren, etc. sind standardisiert, der Kunde kann nur noch die standardisiert, der Kunde kann nur noch die Verdrahtung beeinflussen.Verdrahtung beeinflussen.
Der Kunde kann alle elektrischen Optimierungen Der Kunde kann alle elektrischen Optimierungen vornehmen, hat jedoch keine detaillierte vornehmen, hat jedoch keine detaillierte Kontrolle über das Layout.Kontrolle über das Layout.
Gate ArrayGate Array Änderungen sind etwas weniger kosten- und Änderungen sind etwas weniger kosten- und
zeitintensiv.zeitintensiv. Gate Arrays verlieren zur Zeit deutlich Gate Arrays verlieren zur Zeit deutlich
Marktanteile an ASICs und FPGAsMarktanteile an ASICs und FPGAs Dadurch bleiben auch bei modernsten Dadurch bleiben auch bei modernsten
Technologien die Einstiegskosten in der Technologien die Einstiegskosten in der Entwicklung unter Euro 100.000Entwicklung unter Euro 100.000
Die Produktionskosten sind mit denen von Full-Die Produktionskosten sind mit denen von Full-Custum ASICs vergleichbar.Custum ASICs vergleichbar.
FPGAsFPGAs
Field Programmable Gate ArraysField Programmable Gate Arrays Bei FPGAs wird der Chip so gefertigt, Bei FPGAs wird der Chip so gefertigt,
daß die Schaltung vom Kunden selbst daß die Schaltung vom Kunden selbst bestimmt werden kann. Und zwar bestimmt werden kann. Und zwar entweder:entweder: einmalig (Antifuse: Quicklogic)einmalig (Antifuse: Quicklogic) mehrmals (Flash: Actel)mehrmals (Flash: Actel) dynamisch, im System dynamisch, im System
(SRAM: Actel, Altera, Atmel, DynaChip, (SRAM: Actel, Altera, Atmel, DynaChip, Lucent, Xilinx) Lucent, Xilinx)
Wie groß sind FPGAs?Wie groß sind FPGAs?
Zur Zeit: Zur Zeit: 8.000 Gatter + 3KByte RAM für $ 88.000 Gatter + 3KByte RAM für $ 8 100.000 Gatter + 8KByte RAM für $ 26100.000 Gatter + 8KByte RAM für $ 26 300.000 Gatter + 36KByte RAM für $ 120300.000 Gatter + 36KByte RAM für $ 120 3.000.000 Gatter + 104KByte RAM für $2.0003.000.000 Gatter + 104KByte RAM für $2.000
Nächstes Jahr 40.000.000 Gatter Nächstes Jahr 40.000.000 Gatter
Wie schnell ist so ein Wie schnell ist so ein FPGA?FPGA?
Anwendungsbeispiele für Virtex-E Anwendungsbeispiele für Virtex-E FPGAsFPGAs
32 Bit Prozessoren: 32 Bit Prozessoren: 20-50 MHz synthetisiert, single cycle20-50 MHz synthetisiert, single cycle 125 MHz synthetisiert, pipeline125 MHz synthetisiert, pipeline
266 MHz DDR SRAM Controller266 MHz DDR SRAM Controller 622 Mbps serieller Link622 Mbps serieller Link
Welche ASIC Familie ist Welche ASIC Familie ist die beste für mich?die beste für mich?
Technologische Überlegung zur Technologische Überlegung zur Applikation: Was brauche ich mindestens Applikation: Was brauche ich mindestens um meiner Applikation gerecht zu um meiner Applikation gerecht zu werden?werden?
Kaufmännische Überlegung: Stückzahl Kaufmännische Überlegung: Stückzahl vs. Kostenvs. Kosten
Ansonsten gilt in der Regel: Für ein Ansonsten gilt in der Regel: Für ein neues Projekt immer die neueste neues Projekt immer die neueste ASIC/FPGA Familie verwenden, da diese ASIC/FPGA Familie verwenden, da diese immer am günstigsten sindimmer am günstigsten sind
Technologische Technologische Zielfunktion beim Entwurf Zielfunktion beim Entwurf
digitaler Schaltungen digitaler Schaltungen Taktfrequenz
Rechenleistung
Flächenaufwand Verlustleistung
Wärmeabfuhr
Gat
es /
cm²
Schaltrate*#G
ates
Semi-Custom IC
Full Custom IC
Programmable IC
Gate Array
Full Custom
Cell Based
PLD
Linear Array
FPGA
Stückzahl KomplexitätNRE-Kosten
Stückkosten
Dig
ital
Mixed M
ode
maximal
minimal
ASICs: Die wichtigsten ASICs: Die wichtigsten KriterienKriterien
Geschwindigkeit
Komplexität
ControllerProzessoren
FPGA
Full-Custom ASIC
Semi-Custom ASIC
Positionierung der Positionierung der verschiedenen ASIC verschiedenen ASIC
Gruppen Gruppen
Flächen/Flächen/LeistungseffizienzLeistungseffizienz
0 10 20 30 40 50
100
10
1
0.1
DSP
FPGA Gate ArrayStandard Cell
Full - Custom
Semi-Custom
Area Efficiency (GOPS/cm²)
Pow
er E
fficie
ncy
(GO
PS/W
)
Überlegungen zu Kosten vs. Überlegungen zu Kosten vs. StückzahlStückzahl
Break-Even-Analyse 2003
10000
100000
1000000
10 100 1000 10000 100000
Stückzahl
Eu
ro
FPGA
MAG
CBIC
FPGA MAG CBIC
Fixkosten 21800 86000 146000
Euro/Stück 46,8 12 9,6
1845
25000
ASIC EntwicklungzeitenASIC Entwicklungzeiten
0 10 20 30 40 50 60
Tage
Semi Custon ASIC Laserbearbeitung
Semi Custom ASIC mit Metallmasken
Full Costom ASIC
Vergleich von Entwicklungszeiten
Design Layout Fabrikation Test/Verpacken
Re-Design Re-Layout Re-Fabrikation Re-Test/Verpacken
FPGA Weltmarkt 2003FPGA Weltmarkt 2003
Prozentuale Verteilung des FPGA Weltmarktes
Xilinx; 49%
Altera; 31%
Latice; 10%
Actel; 6%
Cypress; 2%
Quik Logic; 1%
Atmel; 1%
Xilinx
Altera
Latice
Actel
Cypress
Quik Logic
Atmel
Umsatzentwicklung FPGA Umsatzentwicklung FPGA und Prognoseund Prognose
Mrd €
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Jahr
Um
satz
[M
rd €
]
Stagnation bei Rapid Stagnation bei Rapid PrototypingPrototyping
Umsatzentwicklung Rapid Prototyping
0
100
200
300
400
500
600
700
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Jahr
Um
satz
[M
io.
€]
1) Service
2) Produkte
1) + 2)
Sensor Interface Mixed-Signal ASIC
Sensor
BIAS
Regler Control Interface
DigitalInterface
PhysikalischerMesswertaufnehmerz.B.: Temperatur Druck Beschleunigung
Signal Konditionierung ADC
Analog Interface
DSPDAC
Anwendungsbeispiel:Anwendungsbeispiel: Semi-Custom ASIC Semi-Custom ASIC
Anwendungsbeispiel:Anwendungsbeispiel:ohne FPGAohne FPGA
DSL-Modem Standard
DSL Treiber/Empfänger Chips
HDLC ControllerSystem Controller
Prozessor
SpeicherrPCI - Bus
PLL / Clock Management
Hot-Swap Controller
GTL/GTL - TranslaterPCI - Backplane Interface
Computer - PCI Slot
DSL
Kanäle
10-120$ 16-65$
SSTL - 2/3 Translater
3$
3$
4$
6$
Anwendungsbeispiel:Anwendungsbeispiel:mit FPGAmit FPGA
DSL-Modem mit Spartan II E FPGA
DSL Treiber/Empfänger Chips
HDLC ControllerSystem Controller
Prozessor
SpeicherrPCI - Bus
PLL / Clock Management
Hot-Swap Controller
GTL/GTL - TranslaterPCI - Backplane Interface
Computer - PCI Slot
DSL
Kanäle
10-120$ 16-65$
SSTL - 2/3 Translater
3$
3$
4$
6$
XC2S100E 8,85$
XC2S100E 8,85$
Vielen Dank für Vielen Dank für IhreIhre
Aufmerksamkeit!Aufmerksamkeit!
Anwendungsbeispiel: Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco MediaCup (Teco
Karlsruhe)Karlsruhe)
Wie funktioniert die Wie funktioniert die Tasse? Tasse?
Der Boden der MediaCup Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in enthält die Elektronik in einem abnehmbaren einem abnehmbaren Gummiüberzieher. Gummiüberzieher.
Die Elektronik wird Die Elektronik wird kabellos mit Energie kabellos mit Energie versorgt; versorgt;
Sensoren erkennen Sensoren erkennen Temperatur und Temperatur und Bewegungszustand der Bewegungszustand der Tasse. Tasse.
Diese Informationen wird Diese Informationen wird von der Tasse in den von der Tasse in den Raum gesendet. Raum gesendet.
FPGAs: AntifuseFPGAs: Antifuse Chip wird durch das gezielte Brennen von Chip wird durch das gezielte Brennen von
Schmelzbrücken konfiguriert und kann danach Schmelzbrücken konfiguriert und kann danach nicht mehr verändert werden.nicht mehr verändert werden.
Fast keine Einstiegskosten, dafür höhere Fast keine Einstiegskosten, dafür höhere Produktionskosten als beim ASIC Produktionskosten als beim ASIC
Fehlerbehebung und Updates sind für neu Fehlerbehebung und Updates sind für neu ausgelieferte Platinen problemlos möglich. ausgelieferte Platinen problemlos möglich. Bereits produzierte Chips können jedoch nicht Bereits produzierte Chips können jedoch nicht mehr verändert werden.mehr verändert werden.
Einsatzbereich: ASIC Ersatz für kleinere Einsatzbereich: ASIC Ersatz für kleinere Stückzahlen Stückzahlen
FPGAs: FlashFPGAs: Flash Flash oder EPROM basierte FPGAs lassen sich Flash oder EPROM basierte FPGAs lassen sich
einige tausend mal neu konfigurieren, behalten einige tausend mal neu konfigurieren, behalten aber ihre Konfiguration auch ohne aber ihre Konfiguration auch ohne StromversorgungStromversorgung
Mit geringem zusätzlichem Schaltungsaufwand Mit geringem zusätzlichem Schaltungsaufwand lassen sich Updates beim Kunden ausführenlassen sich Updates beim Kunden ausführen
Die einzige existierende FPGA Familie mit dieser Die einzige existierende FPGA Familie mit dieser Technologie ist leider recht teuer (Actel Technologie ist leider recht teuer (Actel proASIC)proASIC)
Das ändern der Konfiguration ist relativ langsam Das ändern der Konfiguration ist relativ langsam (mehrere Sekunden)(mehrere Sekunden)
FPGAs: SRAMFPGAs: SRAM Zur Zeit dominierende Technologie.Zur Zeit dominierende Technologie. unpraktischer als FLASH, aber deutlich billigerunpraktischer als FLASH, aber deutlich billiger Beim einschalten des Systems wird die Beim einschalten des Systems wird die
Konfiguration aus einem externen Speicher in Konfiguration aus einem externen Speicher in den FPGA geladen.den FPGA geladen.
Es werden zusätzliche externe Komponenten Es werden zusätzliche externe Komponenten benötigt.benötigt.
Der Chip kann beliebig oft und sehr schnell Der Chip kann beliebig oft und sehr schnell umkonfiguriert werden.umkonfiguriert werden.
Bei einigen FPGA-Familien auch teilweise und Bei einigen FPGA-Familien auch teilweise und während des Betriebs.während des Betriebs.
FPGAs: SRAMFPGAs: SRAM SRAM basierte FPGAs haben dadurch neben dem SRAM basierte FPGAs haben dadurch neben dem
Update beim Kunde noch weiter Möglichkeiten:Update beim Kunde noch weiter Möglichkeiten: Anpassen der Schaltung auf eine ProbleminstanzAnpassen der Schaltung auf eine Probleminstanz
(z.B. eine Schaltung, die nach einem speziellen (z.B. eine Schaltung, die nach einem speziellen DNA-Muster sucht)DNA-Muster sucht)
Die Verwendung mehrerer Schaltungen Die Verwendung mehrerer Schaltungen nacheinander in der selben Hardware. nacheinander in der selben Hardware. Buzzword: Reconfigurable ComputingBuzzword: Reconfigurable Computing
Laden der neuesten Konfiguration über ein Laden der neuesten Konfiguration über ein Netzwerk. (wie z.B. bei Handies)Netzwerk. (wie z.B. bei Handies) Buzzword: Internet Reconfigurable LogicBuzzword: Internet Reconfigurable Logic
Grundlagen: Embedded Grundlagen: Embedded SystemSystem
Kommunikations-schnittstelle
anwendungsspezifischeSoftware
anwendungsspezifischeHardware
Mikrocontroller-Kern FPGA ASIC
SH3
7729-DSP
Embedded System
Umwelt
z.B.: Display z.B.: Auto
z.B.: Waschmaschine