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