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ESYCS - Studie 7 „Embedded Hardware“

ESYCS - Studie 7 „Embedded Hardware“. Ein Überblick über ASIC – Technologie Ulrich Wagner. Inhalt. Kostenproblematik des Chipdesigns ASIC – Überblick über die Technologie Entscheidungskriterien Anwendungsbeispiele. Ziel eines ASIC‘s. Hardware: Entwurfsproblematik.

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Presentation Transcript

  1. ESYCS - Studie 7 „Embedded Hardware“ Ein Überblick über ASIC – Technologie Ulrich Wagner

  2. Inhalt • Kostenproblematik des Chipdesigns • ASIC – Überblick über die Technologie • Entscheidungskriterien • Anwendungsbeispiele

  3. Ziel eines ASIC‘s

  4. Hardware: Entwurfsproblematik

  5. Entwicklung der Investitionskosten

  6. Investitionskosten Chipentwicklung

  7. Technologieentwicklung seit 57 • Ständiger Wechsel zwischen Standardisierung und Spezialisierung im 10 Jahres Takt

  8. Eingebettete Hardware: ASIC • Application Specific Integrated Circuit • Ein vollständig nach Applikation hergestellter Schaltkreis • Hohe Einstiegskosten • Euro 25.000 für 2µm Technologie, multi project wafer • Euro 250.000 für 0.13 µm Technologie • Niedrige Produktionskosten • hunderte von Chips auf einem Wafer für Euro 2000 - 6000

  9. ASIC • Alle Freiheitsgrade der Technologie können zur Optimierung genutzt werden • Beste Implementierung für eine fest vorgegebene Schaltung • Fehlerbehebung und nachträgliche Änderungen oder Optimierungen sind sehr teuer • Der Chip muß so entworfen werden, daß er in allen in Frage kommenden Anwendungen verwendet werden kann. • Einsatzbereich: Standardschaltungen mit hohen Stückzahlen. (Prozessoren, Speicher, FPGAs, ...)

  10. Einteilung der ASIC‘s

  11. Full Custom ASIC • Nur in Anwendungen mit größten Stückzahlen • Entwicklung nur in der Chip-Fab möglich • Gesamtlayout wird als Maske in der Chip-Fab nach Kundenwunsch erstellt • Belichtung und Packaging ebenso

  12. Semi-Custom ASIC: Gate Array • Die Variante mit der größten Verbreitung weltweit • Beim Gate Array werden die meisten Herstellungsschritte kundenunabhängig durchgeführt. • Die Lage der IO-Pads, Transistoren, etc. sind standardisiert, der Kunde kann nur noch die Verdrahtung beeinflussen. • Der Kunde kann alle elektrischen Optimierungen vornehmen, hat jedoch keine detaillierte Kontrolle über das Layout.

  13. Gate Array • Änderungen sind etwas weniger kosten- und zeitintensiv. • Gate Arrays verlieren zur Zeit deutlich Marktanteile an ASICs und FPGAs • Dadurch bleiben auch bei modernsten Technologien die Einstiegskosten in der Entwicklung unter Euro 100.000 • Die Produktionskosten sind mit denen von Full-Custum ASICs vergleichbar.

  14. FPGAs • Field Programmable Gate Arrays • Bei FPGAs wird der Chip so gefertigt, daß die Schaltung vom Kunden selbst bestimmt werden kann. Und zwar entweder: • einmalig (Antifuse: Quicklogic) • mehrmals (Flash: Actel) • dynamisch, im System (SRAM: Actel, Altera, Atmel, DynaChip, Lucent, Xilinx)

  15. Wie groß sind FPGAs? • Zur Zeit: • 8.000 Gatter + 3KByte RAM für $ 8 • 100.000 Gatter + 8KByte RAM für $ 26 • 300.000 Gatter + 36KByte RAM für $ 120 • 3.000.000 Gatter + 104KByte RAM für $2.000 • Nächstes Jahr 40.000.000 Gatter

  16. Wie schnell ist so ein FPGA? • Anwendungsbeispiele für Virtex-E FPGAs • 32 Bit Prozessoren: • 20-50 MHz synthetisiert, single cycle • 125 MHz synthetisiert, pipeline • 266 MHz DDR SRAM Controller • 622 Mbps serieller Link

  17. Welche ASIC Familie ist die beste für mich? • Technologische Überlegung zur Applikation: Was brauche ich mindestens um meiner Applikation gerecht zu werden? • Kaufmännische Überlegung: Stückzahl vs. Kosten • Ansonsten gilt in der Regel: Für ein neues Projekt immer die neueste ASIC/FPGA Familie verwenden, da diese immer am günstigsten sind

  18. Technologische Zielfunktion beim Entwurf digitaler Schaltungen

  19. ASICs: Die wichtigsten Kriterien

  20. Geschwindigkeit Semi-Custom ASIC FPGA Full-Custom ASIC Controller Prozessoren Komplexität Positionierung der verschiedenen ASIC Gruppen

  21. Flächen/Leistungseffizienz

  22. Überlegungen zu Kosten vs. Stückzahl 25000 1845

  23. ASIC Entwicklungzeiten

  24. FPGA Weltmarkt 2003

  25. Umsatzentwicklung FPGA und Prognose

  26. Stagnation bei Rapid Prototyping

  27. Anwendungsbeispiel: Semi-Custom ASIC

  28. Anwendungsbeispiel:ohne FPGA

  29. Anwendungsbeispiel:mit FPGA

  30. Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!

  31. Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)

  32. Wie funktioniert die Tasse? • Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher. • Die Elektronik wird kabellos mit Energie versorgt; • Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse. • Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet.

  33. FPGAs: Antifuse • Chip wird durch das gezielte Brennen von Schmelzbrücken konfiguriert und kann danach nicht mehr verändert werden. • Fast keine Einstiegskosten, dafür höhere Produktionskosten als beim ASIC • Fehlerbehebung und Updates sind für neu ausgelieferte Platinen problemlos möglich. Bereits produzierte Chips können jedoch nicht mehr verändert werden. • Einsatzbereich: ASIC Ersatz für kleinere Stückzahlen

  34. FPGAs: Flash • Flash oder EPROM basierte FPGAs lassen sich einige tausend mal neu konfigurieren, behalten aber ihre Konfiguration auch ohne Stromversorgung • Mit geringem zusätzlichem Schaltungsaufwand lassen sich Updates beim Kunden ausführen • Die einzige existierende FPGA Familie mit dieser Technologie ist leider recht teuer (Actel proASIC) • Das ändern der Konfiguration ist relativ langsam (mehrere Sekunden)

  35. FPGAs: SRAM • Zur Zeit dominierende Technologie. • unpraktischer als FLASH, aber deutlich billiger • Beim einschalten des Systems wird die Konfiguration aus einem externen Speicher in den FPGA geladen. • Es werden zusätzliche externe Komponenten benötigt. • Der Chip kann beliebig oft und sehr schnell umkonfiguriert werden. • Bei einigen FPGA-Familien auch teilweise und während des Betriebs.

  36. FPGAs: SRAM • SRAM basierte FPGAs haben dadurch neben dem Update beim Kunde noch weiter Möglichkeiten: • Anpassen der Schaltung auf eine Probleminstanz(z.B. eine Schaltung, die nach einem speziellen DNA-Muster sucht) • Die Verwendung mehrerer Schaltungen nacheinander in der selben Hardware. • Buzzword: Reconfigurable Computing • Laden der neuesten Konfiguration über ein Netzwerk. (wie z.B. bei Handies) • Buzzword: Internet Reconfigurable Logic

  37. SH3 7729-DSP Grundlagen: Embedded System Embedded System anwendungsspezifische Software anwendungsspezifische Hardware Umwelt z.B.: Waschmaschine Mikrocontroller-Kern FPGA ASIC Kommunikations- schnittstelle z.B.: Display z.B.: Auto

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