מי שעקבו בשנה האחרונה אחר הפעילות בזירת ליבות IP אנלוגיות ((analog IP cores, מודעים ודאי לחשיבות הגוברת שמייחסים להן בטכנולוגיות פיתוח מוליכים למחצה. מעניין גם לגלות שבעולם הדיגיטאלי אנחנו זקוקים ליותר ליבות אנלוגיות, הן נחשבת כיום לתנאי הכרחי לחדשנות, בכל הקשור למערכות-על-שבב (SoC).
כיום, ההוצאות הגבוהות הכרוכות בפיתוח מערכות-על-שבב, מחייבות שימוש בליבות IP אנלוגיות איכותיות, במטרה לצמצם את הסיכונים הכרוכים בתוכניות הפיתוח. בנוסף, רף המורכבות, הביצועים והתכונות של ליבות IP אנלוגיות, עולה כל העת. העובדה שליבות IP אנלוגיות משגשגות וצומחות מאז החל עידן מערכות-על-שבב, מוכיחה שספקיות ליבות ה-IP האנלוגיות נתנו מענה מוצלח לדרישות שהוצבו, אולם השינויים בזירה הטכנולוגית ודרישות לקוחות הקצה (משתמשי ציוד אלקטרוני) מציבים כל הזמן אתגרים חדשים.
מעניין גם לבחון כמה מהמגמות והאתגרים הטכנולוגיים עמן חייבות ספקיות ליבות ה-IP האנלוגיות להתמודד בעידן הננו-מטר, כדי להבטיח את שביעות רצונה של קהילת מתכנני מערכות-על-שבב (טכנולוגיות של 90 ננו-מטר, 65 ננו-מטר, 45 ננו-מטר ומטה).
ירידת מתח Shrinking Voltage levels -
אם בעבר, בעידן טכנולוגיות 0.18 מיקרו-מטר, נחשב מתח של 1.8 וולט ל"מתח נמוך", הרי שכיום, בעידן של טכנולוגיות 65 ננו-מטר ומטה, משתמשים כבר במתח של 1.0 וולט. במקביל, אספקת מתח IO ירדה מ-3.3 וולט (ב-0.18 מיקרו-מטר) ל-2.5 וולט, עד 1.8 וולט (ב-65 ננו-מטר ומטה).
בארכיטקטורות אנלוגיות שמבוססות על מתח IO גבוה יותר, נטו להסתמך במידה רבה על טרנזיסטורי IO. אולם כיום, חייבים להתאים את הארכיטקטורות האנלוגיות, המבוססות על "ביצועים" גבוהים יותר של טרנזיסטורים אנלוגיים, לאספקת מתח נמוך יותר. אתגר זה מוליד חידושים בארכיטקטורות ובטופולוגיות של מעגלים, תוך הסתמכות על היתרונות של טרנזיסטורי-הליבה ועל פעולה במתח נמוך יותר שמסופק לליבה. בארכיטקטורות שעומדות בדרישות אלה ניתן להשיג צריכת הספק נמוכה יותר.
זליגה מטרנזיסטורים - Leaky transistors
נוכח הגיאומטריה הקטנה יותר, יש להתמודד עם אתגרי זליגה מטרנזיסטורים ביחידות (blocks) של מעגלים אנלוגיים. למרות שבארכיטקטורה חכמה ניתן לנצל את יתרונות "המהירות" ו-"המוליכות" הטובה יותר של טרנזיסטורי הליבה, הרי שבעידן הננו-מטר יש להתמודד גם עם האתגר הנוסף שמציבה הזליגה.
בסקירה זו אני מתייחס בעיקר לשני סוגי זליגה: (א) זליגה משערים; (ב) זליגה מערוצים. בתכנון שמבוסס על אותות מעורבים נחשב "הערך האנלוגי" כמטען חשמלי בקבל, וזליגה של מטען חשמלי עלולה לגרום לאי-דיוקים.
מתכנני מעגלים אנלוגיים צריכים לקחת בחשבון היבטים אלה בבחירת הארכיטקטורה והטופולוגיה, ולתכנן את המעגלים בצורה חדשנית וקפדנית.
שמירה על עלויות נמוכות
בעידן הננו-מטר אין מדובר, בדרך כלל, במערכת בודדת על שבב, אלא במערכות רבות בכל שבב. כך, לדוגמה, במערכת-על-שבב שמיועדת לגאדג'ט נייד. במקרים רבים יש צורך במספר טכנולוגיות לתקשורת (לרשתות LAN אלחוטיות ותקשורת Bluetooth) וכן במערכת לעיבוד אודיו, בממשקים דוגמת USB, ניהול אספקות מתח, שליטה ובקרה על ציוד היקפי, ביישומים או במעבד וידאו/תמונה, ולעתים גם במערכת GPS וכדומה. רבות מ-"תת-מערכות" אלה מחייבות ליבה אנלוגית וטכנולוגיה של 65 ננו-מטר, לדוגמא.
אילו היו משולבות ליבות IP אנלוגיות כאלה בארכיטקטורות מדורות קודמים, מבלי לנצל את היכולות שמציעות טכנולוגיות הננו-מטר, מתכנני המערכות היו מגלים במהירות שהליבה האנלוגית תופסת שטח רב מדי, ושבטכנולוגית 65 ננו-מטר לא ניתן לנצל את יתרונות המזעור המסוגלים לספק תהליכים מתקדמים. הגברת השילוב במערכות-על-השבב, והגברת שילוב הליבות האנלוגיות, מחייבות תשומת לב קפדנית לשטח שתופסות הליבות האנלוגיות, כדי להבטיח כי רמת המזעור של החלקים הדיגיטאליים, תישמר בכל חלקי השבב.
חידושים המאפשרים לשמור על ממדים קטנים של ליבות IP אנלוגיות הם כורח המציאות, כדי להבטיח שלקוחות הקצה ייהנו מגאדג'טים קטנים ולא יקרים.
אינטגרציה של מערכות - Form factor and System-BOM Integration
מכשירים ניידים ואמצעי תקשורת המיועדים לצרכנים פרטיים הופכים קטנים יותר ויותר. שבבי מרובי-תפקודים הופכים נפוצים מתמיד. גאדג'טים מצוידים בדרך כלל בשבב בודד (מערכות-על-שבב (SoC ושאר הרכיבים במוצר הם פאסיביים, או ווסתי מתח (Power Regulators). למרות ששילוב ליבות אנלוגיות הוא תהליך שכיח מאד, הרי ששילוב RF כבר רווח יותר. ביותר ויותר מקרים משולבים בשבב גם זיכרונות RAM וזיכרונות פלאש בנפחים גדולים יותר.
אם בעבר נדיר היה למצוא וסתי מתח משולבים במערכת-על-שבב, הרי שכיום אפשרות זו צוברת פופולאריות בקרב מתכנני השבבים. ההיצע הגדול של ליבותIP הכוללות וסתי מתח, מצד ספקיות ליבות IP אנלוגיות, דוגמת Cosmic Circuits - המציעה מערך נרחב של וסתי מתח מוכחים(Proven Silicon) בליבות סיליקון, בטכנולוגיות 130 ננו-מטר, 90 ננו-מטר ו-65 ננו-מטר - מקדמת את המגמה ומאיצה אותה. כיום מוצעות ליבות IP הכוללות וסתי מתח שמתחברים ישירות לאספקת המתח מסוללות ליתיום-יון או משקעי USB.
נוכח הדרישה לאספקת מתחי עבודה רבים לאותו שבב, (אספקה לליבות מרובות, אספקה לליבות אנלוגיות, אספקת RF, אספקה לציוד היקפי, אזורי מתח מבודדים voltage islands וכדומה), מתייקרים שטחי PCB ומערכות BOM מעבר לאלו שבשבב. למרבה המזל, להיצע של וסתי המתח במתכונת ליבות IP יש השפעה חיובית גם בהיבטים אלה.
חיי סוללה Battery Life
הצורך להאריך את חיי הסוללה במכשירים ניידים הוליד מספר חידושים טכנולוגים בהם: תהליכים בעלי זליגה נמוכה במוליכים למחצה (low-K dielectrics), רמת מתח נמוכה יותר, שיטות דינאמיות לניהול מתח האספקה, כלים חדשים לשיפור צריכת המתח ברמות שונות של מחזור התכנון ועוד - מה שמוביל בסופו של דבר גם לירידה בצריכת ההספק של ליבות IP אנלוגיות.
ביחס לממירים מאנלוגי לדיגיטאלי, מקובל להניח שהפחתת מתח האספקה מחייבת שימוש בקבלים פנימיים גדולים יותר לאחסון המטען החשמלי, כדי לשמור על אותה רמת ביצועים. בעידן הננו-מטר נחוצות שיטות טכנולוגיות מתקדמות המותאמות לתהליך דיגיטאלי כדי להתגבר על המגבלות הללו, או לעקוף אותן, וזאת כדי להבטיח צריכת הספק נמוכה.
כך לדוגמה, בפתרונות MIMO WiFi (802.11n) או WiMax (16e) עבור יישומים ניידים נחוץ מספר גדול של ערוצים אנלוגיים מקבילים. הדבר עלול להוביל לצריכת הספק גבוהה, בעוד שצריכת ההספק בחלק הדיגיטאלי נמוכה בזכות תהליכי ננו-מטר. אם בליבה האנלוגית לא ייעשה שימוש ביכולות של הטרנזיסטורים המהירים יותר, עלולה צריכת ההספק הגבוהה בכל היחידות האנלוגיות לקזז בקלות את היתרונות של צריכת ההספק הנמוכה שמציעה טכנולוגית 65 ננו-מטר.
מספר הפינים Pin Count
אנו ניצבים במרכזה של זירה טכנולוגית שמחייבת קצב תקשורת מהיר בממשקים, אך מוגבלת נוכח צוואר הבקבוק של הדרישות לקיצוץ במספר הפינים לממשק, כתוצאה ישירה של עלות לחיבור. ממשקים מהירים לתקשורת בין שבבים, דוגמתLVDS ו-SERDES, הם דבר שכיח. ממשקי LVDS המיועדים ליישומים ניידים חייבים להציע, יותר מתמיד, צריכת הספק נמוכה וקצב תקשורת מהיר יותר. גם התקינה ממלאת תפקיד פעיל במגמות אלה.
ממשקי תקשורת מהירים בין שבבים הם כורח המציאות, ובאספקה של ליבות IP אנלוגיות נסמכים במידה רבה על הממשק למערכת-על-שבב. אל מול הדרישות לקצב תקשורת שנמדד בג'יגה-סיביות לשנייה, אספקת מתח נמוכה וצריכת הספק נמוכה של היישומים הניידים, נחלצות ספקיות ליבות IP אנלוגיות לעזרתם של מתכנני מערכות-על-שבב.
תכנון-לייצור של ליבות IP אנלוגיות - Analog DFM
טכנולוגיות הננו-מטר מחייבות בחינה של מספר היבטים בתכנון-לייצור (Design-For-Manufacturing - DFM). ליבות IP אנלוגיות רגישות, עלולות להיפגע אם לא פועלים בהתאם לשיטות DFM. כך לדוגמה, התהליך בו מעצבים את שכבות המתכת סביב לוח הסיליקון במבנה שדומה לצלחת (דק יותר במרכזו מאשר בצדדים - dishing) והבדלים מקומיים בצפיפות המתכת, עלולים לגרום לחוסר התאמה בין קבלים שאמורים להיות שווים. הם נראים אמנם דומים לעין אך מבחינה חשמלית ערכיהם שונים. ביצוע מתקדם והדמיה קפדנית הם כורח המציאות.
בדרך כלל, ארכיטקטורות המבוססות על מספר קטן יותר של רכיבים האמורים להיות זהים נחשבות לידידותיות יותר מבחינת DFM. כך לדוגמה, מספר נמוך יותר של שלבים בממיר Pipeline A/D, נחשב ליתרון. ארכיטקטורות שמבוססות על משווים (comparators) יותר מאשר על מגברים (amplifiers) עדיפות.
השפעות של קרבה ניכרות יותר בטכנולוגיה של 65 ננו-מטר ומטה, וחייבים לקחת אותן בחשבון בתכנון קפדני של עריכת מעגלים אנלוגיים.
גמישות - Portability
מספר גרסאות התהליך שננקטות במפעלי הייצור נמצא במגמת עלייה (num of process-node ). כך לדוגמה, גרסה של זליגה-נמוכה עבור תהליך של יישומים ניידים, גרסה מהירה יותר של יישומי עיבוד בהם המהירות נחשבת לקריטית, וגרסאות של מתחי IO שונים דוגמת 3.3 וולט, 2.5 וולט ו-1.8 וולט, הן תופעות רווחות בימים אלה.
למרות שמעצם טבען, יחידות המעגלים האנלוגיים אינן גמישות להמרה בין גרסאות תהליכים שונים כמו יחידות דיגיטאליות, הרי שביחס לליבות אנלוגיות, ניתן להגדיר גמישות כאלגנטיות של יחידת המעגל. על האלגנטיות יכולה להעיד, לעתים קרובות, ההתאמה של יחידת המעגל לכלי תכנון/הדמיה ולתהליכים אוטומטיים. גמישות זו מצריכה ארכיטקטורה חכמה שבסופו של דבר מצמצמת סיכונים ומגבירה את תפוקת הייצור.
ספקיות ליבות IP אנלוגיות ממלאות תפקיד חשוב בהגעה מהירה יותר לשוק (time-to-(market ובצמצום הסיכונים הכרוכים במערכות-על-שבב. משום כך עליהן להקפיד ולבחור בארכיטקטורות אלגנטיות ("גמישות"). ארכיטקטורות שמבוססות במידה רבה יותר על שיטות דיגיטאליות ועל זמן תגובה מהיר של הטרנזיסטורים, שיטות אלו נחשבות לאלגנטיות יותר מאלו שמבוססות על מספר מגברים רגישים. ספקיות פתרונות אלה יכולות לבחון את הפיתרון במספר גרסאות תהליך שונות, כדי להגביר את החוסן של הפיתרון ואת האמון בו. כתוצאה מכך קהילת מתכנני מערכות-על-שבב תיהנה מזמינות ליבות IP אנלוגיות במועד הנכון, ותוכל להעביר במהירות מערכות חדשות לפתרונות מערכות-על-שבב.
מה צופן העתיד
הכורח הוא אבי כל ההמצאות, וקהילת ליבות IP אנלוגיות עומדת בקצב שמכתיבים האתגרים. Cosmic Circuits, ספקית ליבות IP אנלוגיות, מציעה מערך ליבות IP אנלוגיות בטכנולוגיות 130 ננו-מטר, 90 ננו-מטר ו-65 ננו-מטר, ומהנדסיה מציעים נקודת מבט רעננה וחדשה וארכיטקטורות המיועדות לעידן הננו-מטר.
כך לדוגמה ביחס לממשק חזית של ליבות MIMO אנלוגיות שמציעה Cosmic Circuits. ממשק חזית מרובה ערוצים עלול להגדיל את שטח פיסת הסיליקון במערכת-על-שבב במידה משמעותית. כנ"ל לגבי צריכת ההספק והעלות. בחירה בארכיטקטורה מתאימה מאפשרת להשיג חיסכון של 40-45% בשטח הפיסה במעבר מ-130 ננו-מטר ל-65 ננו-מטר. ארכיטקטורה מתאימה אפשרה גם להשיג חיסכון דומה, של 40-45%, בצריכת ההספק.
שימוש במספר מינימאלי של מגברים ובארכיטקטורה המתאימה לטכנולוגיות ננו-מטר דיגיטליות ,מאפשר לספק מתח פעולה נמוך יותר לליבה. תכנון אלגנטי זה מאפשר גמישות רבה יותר והתאמה לגרסאות שונות של תהליכים
(porting across fab/process flavors).
לדוגמה, ביחס לממיר A/D 205MSPS 12 ביט של Cosmic Circuits, שהותאם לטכנולוגית 130 ננו-מטר לשילוב במערכות-על-שבב, נעשה שימוש בטכנולוגיית
low-amplifier count pipeline ADC technology ותוך עבודה במתח נמוך של 1.2 וולט עבור כל ה-ADC, הושג צמצום משמעותי בממדים הפיזיים ובצריכת ההספק.
ספקיות ליבות IP אנלוגיות חייבות להציע דרכים חדשות ויעילות יותר שיסייעו לחברות מערכות-על-שבב (SoC) לצמצם את הוצאות המערכת. כך לדוגמה, מתגים או וסתי מתח לינארים המיועדים לשילוב במערכות-על-שבב משרתים ישירות מטרה זו. התאמה של רכיבים אלה למכשירי אלקטרוניקה ניידים מאפשרת לא רק להפחית את עלות BOM ואת הממדים בשילוב של ליבות IP אלה, אלא גם את ניצולת ההספק, מאחר והיא מאפשרת ליישם בקלות רבה יותר שיטות לניהול דינמי של המתח (Dynamic-Voltage-Management). ספקיות ליבות IP, דוגמת Cosmic Circuits, מציעות מערך ליבות IP כאלה, בטכנולוגיית ננו-מטר, ומסייעות לקדם את התחום (Switching and Linear power-regulators).
חברת Cosmic Circuits מציעה טכנולוגיית ליבות אנלוגיות מיוחדות ובעלות ערך מוסף המשקפות תרבות של חדשנות. הארכיטקטורות החדשניות שלה נועדו לתת מענה לכל האתגרים שפורטו. המעבר מ-1.8 וולט (0.18 מיקרו-מטר) ל-1.0 וולט (65 ננו-מטר או 45 ננו-מטר ומטה), מחייב חשיבה חדשה וארכיטקטורות חדשות. ההסתפקות בארכיטקטורות קיימות לא תוכל להימשך זמן רב: מדובר בפיתרון קצר-מועד, מאחר ובשלב מסוים יגיעו מתכנני מערכות-על-שבב למסקנה שצריכת ההספק של ליבות IP אנלוגיות גבוהה מדי, שהן מקצרות יותר מדי את חיי הסוללה, קשות מדי לשילוב או בולמות טכנולוגיות המזעור החדשות.
הזירה של ליבות IP אנלוגיות מתבהרת, ואור הזרקורים מופנה לליבות אנלוגיות שמתאימות לטכנולוגיות ננו-מטר. ככל שגובר השילוב של ליבות IP אנלוגיות במערכות-על-שבב, וככל שגוברת המודעות בקרב מתכנני השבבים, כך יוסיף לעלות הביקוש לליבות IP אנלוגיות מותאמות לפי דרישה(custom IP) וזירת ליבות IP אנלוגיות תעבור לעידן הננו-מטר.
-------------------------------
חברת Cosmic Circuits ספקית מובילה של ליבות IP אנלוגיות ומעורבות (Analog & Mixed-Signal IP) וכן של שבבים אנלוגיים מלאים. החברה מתמקדת באופן מלא בטכנולוגיה אנלוגית, ומעסיקה צוות גדול של מתכננים המתמחים בתחום זה עם דגש על ארכיטקטורות אנלוגיות בעידן הננו-מטר. הפתרונות של חברת Cosmic Circuits מתאימים במיוחד לעולם של אלקטרוניקה משולבת. לחברה בסיס לקוחות עולמי שגדל בקצב מהיר וקשר עסקי ומקצועי עם כל מפעלי ייצור הסמיקונדקור המובילים. בנוסף, לחברה מערך מוצרים המקיף מגוון רחב של טכנולוגיות אנלוגיות ותהליכים מתקדמים מסוגם.
--------------------------
סופרטק אלקטרוניקה (1994), ממרכזי הפיתוח הגדולים בארץ לשירותי פיתוח ASIC - מערכות-על-שבב(SoC) . החברה מייצגת מספר חברות מובילות בתחום הסמיקונדוקטור, ליבות-IP וכלי פיתוח לתחום השבבים. עד כה ביצעה סופרטק מעל 50 פרויקטים בתחום וסיפקה מיליונים רבים של שבבים ששולבו במגוון אפליקציות בתחום הדיגטאלי, אנלוגי, מעורב וה-RF. החברה מספקת שירותים בתחומים:
Digital, Mixed Signal, Analog and RF ASIC designs, IPs and tools
Full turn key projects including FPGA design for evaluation to the final ASIC solution, FPGA Conversions and Second Sourcing, Front-End - RTL to gate level Synthesis and ATPG, Back-End Netlist to GDSII, Verification, STA, Core Designs, Assembly, Testing, Customer Support, and Joint Venture Developments.
* הכותב שי קדרי מנהל את מרכז הפיתוח, סופרטק, נציגה בלעדית של חברת Cosmic Circuits בישראל
כיום, ההוצאות הגבוהות הכרוכות בפיתוח מערכות-על-שבב, מחייבות שימוש בליבות IP אנלוגיות איכותיות, במטרה לצמצם את הסיכונים הכרוכים בתוכניות הפיתוח. בנוסף, רף המורכבות, הביצועים והתכונות של ליבות IP אנלוגיות, עולה כל העת. העובדה שליבות IP אנלוגיות משגשגות וצומחות מאז החל עידן מערכות-על-שבב, מוכיחה שספקיות ליבות ה-IP האנלוגיות נתנו מענה מוצלח לדרישות שהוצבו, אולם השינויים בזירה הטכנולוגית ודרישות לקוחות הקצה (משתמשי ציוד אלקטרוני) מציבים כל הזמן אתגרים חדשים.
מעניין גם לבחון כמה מהמגמות והאתגרים הטכנולוגיים עמן חייבות ספקיות ליבות ה-IP האנלוגיות להתמודד בעידן הננו-מטר, כדי להבטיח את שביעות רצונה של קהילת מתכנני מערכות-על-שבב (טכנולוגיות של 90 ננו-מטר, 65 ננו-מטר, 45 ננו-מטר ומטה).
ירידת מתח Shrinking Voltage levels -
אם בעבר, בעידן טכנולוגיות 0.18 מיקרו-מטר, נחשב מתח של 1.8 וולט ל"מתח נמוך", הרי שכיום, בעידן של טכנולוגיות 65 ננו-מטר ומטה, משתמשים כבר במתח של 1.0 וולט. במקביל, אספקת מתח IO ירדה מ-3.3 וולט (ב-0.18 מיקרו-מטר) ל-2.5 וולט, עד 1.8 וולט (ב-65 ננו-מטר ומטה).
בארכיטקטורות אנלוגיות שמבוססות על מתח IO גבוה יותר, נטו להסתמך במידה רבה על טרנזיסטורי IO. אולם כיום, חייבים להתאים את הארכיטקטורות האנלוגיות, המבוססות על "ביצועים" גבוהים יותר של טרנזיסטורים אנלוגיים, לאספקת מתח נמוך יותר. אתגר זה מוליד חידושים בארכיטקטורות ובטופולוגיות של מעגלים, תוך הסתמכות על היתרונות של טרנזיסטורי-הליבה ועל פעולה במתח נמוך יותר שמסופק לליבה. בארכיטקטורות שעומדות בדרישות אלה ניתן להשיג צריכת הספק נמוכה יותר.
זליגה מטרנזיסטורים - Leaky transistors
נוכח הגיאומטריה הקטנה יותר, יש להתמודד עם אתגרי זליגה מטרנזיסטורים ביחידות (blocks) של מעגלים אנלוגיים. למרות שבארכיטקטורה חכמה ניתן לנצל את יתרונות "המהירות" ו-"המוליכות" הטובה יותר של טרנזיסטורי הליבה, הרי שבעידן הננו-מטר יש להתמודד גם עם האתגר הנוסף שמציבה הזליגה.
בסקירה זו אני מתייחס בעיקר לשני סוגי זליגה: (א) זליגה משערים; (ב) זליגה מערוצים. בתכנון שמבוסס על אותות מעורבים נחשב "הערך האנלוגי" כמטען חשמלי בקבל, וזליגה של מטען חשמלי עלולה לגרום לאי-דיוקים.
מתכנני מעגלים אנלוגיים צריכים לקחת בחשבון היבטים אלה בבחירת הארכיטקטורה והטופולוגיה, ולתכנן את המעגלים בצורה חדשנית וקפדנית.
שמירה על עלויות נמוכות
בעידן הננו-מטר אין מדובר, בדרך כלל, במערכת בודדת על שבב, אלא במערכות רבות בכל שבב. כך, לדוגמה, במערכת-על-שבב שמיועדת לגאדג'ט נייד. במקרים רבים יש צורך במספר טכנולוגיות לתקשורת (לרשתות LAN אלחוטיות ותקשורת Bluetooth) וכן במערכת לעיבוד אודיו, בממשקים דוגמת USB, ניהול אספקות מתח, שליטה ובקרה על ציוד היקפי, ביישומים או במעבד וידאו/תמונה, ולעתים גם במערכת GPS וכדומה. רבות מ-"תת-מערכות" אלה מחייבות ליבה אנלוגית וטכנולוגיה של 65 ננו-מטר, לדוגמא.
אילו היו משולבות ליבות IP אנלוגיות כאלה בארכיטקטורות מדורות קודמים, מבלי לנצל את היכולות שמציעות טכנולוגיות הננו-מטר, מתכנני המערכות היו מגלים במהירות שהליבה האנלוגית תופסת שטח רב מדי, ושבטכנולוגית 65 ננו-מטר לא ניתן לנצל את יתרונות המזעור המסוגלים לספק תהליכים מתקדמים. הגברת השילוב במערכות-על-השבב, והגברת שילוב הליבות האנלוגיות, מחייבות תשומת לב קפדנית לשטח שתופסות הליבות האנלוגיות, כדי להבטיח כי רמת המזעור של החלקים הדיגיטאליים, תישמר בכל חלקי השבב.
חידושים המאפשרים לשמור על ממדים קטנים של ליבות IP אנלוגיות הם כורח המציאות, כדי להבטיח שלקוחות הקצה ייהנו מגאדג'טים קטנים ולא יקרים.
אינטגרציה של מערכות - Form factor and System-BOM Integration
מכשירים ניידים ואמצעי תקשורת המיועדים לצרכנים פרטיים הופכים קטנים יותר ויותר. שבבי מרובי-תפקודים הופכים נפוצים מתמיד. גאדג'טים מצוידים בדרך כלל בשבב בודד (מערכות-על-שבב (SoC ושאר הרכיבים במוצר הם פאסיביים, או ווסתי מתח (Power Regulators). למרות ששילוב ליבות אנלוגיות הוא תהליך שכיח מאד, הרי ששילוב RF כבר רווח יותר. ביותר ויותר מקרים משולבים בשבב גם זיכרונות RAM וזיכרונות פלאש בנפחים גדולים יותר.
אם בעבר נדיר היה למצוא וסתי מתח משולבים במערכת-על-שבב, הרי שכיום אפשרות זו צוברת פופולאריות בקרב מתכנני השבבים. ההיצע הגדול של ליבותIP הכוללות וסתי מתח, מצד ספקיות ליבות IP אנלוגיות, דוגמת Cosmic Circuits - המציעה מערך נרחב של וסתי מתח מוכחים(Proven Silicon) בליבות סיליקון, בטכנולוגיות 130 ננו-מטר, 90 ננו-מטר ו-65 ננו-מטר - מקדמת את המגמה ומאיצה אותה. כיום מוצעות ליבות IP הכוללות וסתי מתח שמתחברים ישירות לאספקת המתח מסוללות ליתיום-יון או משקעי USB.
נוכח הדרישה לאספקת מתחי עבודה רבים לאותו שבב, (אספקה לליבות מרובות, אספקה לליבות אנלוגיות, אספקת RF, אספקה לציוד היקפי, אזורי מתח מבודדים voltage islands וכדומה), מתייקרים שטחי PCB ומערכות BOM מעבר לאלו שבשבב. למרבה המזל, להיצע של וסתי המתח במתכונת ליבות IP יש השפעה חיובית גם בהיבטים אלה.
חיי סוללה Battery Life
הצורך להאריך את חיי הסוללה במכשירים ניידים הוליד מספר חידושים טכנולוגים בהם: תהליכים בעלי זליגה נמוכה במוליכים למחצה (low-K dielectrics), רמת מתח נמוכה יותר, שיטות דינאמיות לניהול מתח האספקה, כלים חדשים לשיפור צריכת המתח ברמות שונות של מחזור התכנון ועוד - מה שמוביל בסופו של דבר גם לירידה בצריכת ההספק של ליבות IP אנלוגיות.
ביחס לממירים מאנלוגי לדיגיטאלי, מקובל להניח שהפחתת מתח האספקה מחייבת שימוש בקבלים פנימיים גדולים יותר לאחסון המטען החשמלי, כדי לשמור על אותה רמת ביצועים. בעידן הננו-מטר נחוצות שיטות טכנולוגיות מתקדמות המותאמות לתהליך דיגיטאלי כדי להתגבר על המגבלות הללו, או לעקוף אותן, וזאת כדי להבטיח צריכת הספק נמוכה.
כך לדוגמה, בפתרונות MIMO WiFi (802.11n) או WiMax (16e) עבור יישומים ניידים נחוץ מספר גדול של ערוצים אנלוגיים מקבילים. הדבר עלול להוביל לצריכת הספק גבוהה, בעוד שצריכת ההספק בחלק הדיגיטאלי נמוכה בזכות תהליכי ננו-מטר. אם בליבה האנלוגית לא ייעשה שימוש ביכולות של הטרנזיסטורים המהירים יותר, עלולה צריכת ההספק הגבוהה בכל היחידות האנלוגיות לקזז בקלות את היתרונות של צריכת ההספק הנמוכה שמציעה טכנולוגית 65 ננו-מטר.
מספר הפינים Pin Count
אנו ניצבים במרכזה של זירה טכנולוגית שמחייבת קצב תקשורת מהיר בממשקים, אך מוגבלת נוכח צוואר הבקבוק של הדרישות לקיצוץ במספר הפינים לממשק, כתוצאה ישירה של עלות לחיבור. ממשקים מהירים לתקשורת בין שבבים, דוגמתLVDS ו-SERDES, הם דבר שכיח. ממשקי LVDS המיועדים ליישומים ניידים חייבים להציע, יותר מתמיד, צריכת הספק נמוכה וקצב תקשורת מהיר יותר. גם התקינה ממלאת תפקיד פעיל במגמות אלה.
ממשקי תקשורת מהירים בין שבבים הם כורח המציאות, ובאספקה של ליבות IP אנלוגיות נסמכים במידה רבה על הממשק למערכת-על-שבב. אל מול הדרישות לקצב תקשורת שנמדד בג'יגה-סיביות לשנייה, אספקת מתח נמוכה וצריכת הספק נמוכה של היישומים הניידים, נחלצות ספקיות ליבות IP אנלוגיות לעזרתם של מתכנני מערכות-על-שבב.
תכנון-לייצור של ליבות IP אנלוגיות - Analog DFM
טכנולוגיות הננו-מטר מחייבות בחינה של מספר היבטים בתכנון-לייצור (Design-For-Manufacturing - DFM). ליבות IP אנלוגיות רגישות, עלולות להיפגע אם לא פועלים בהתאם לשיטות DFM. כך לדוגמה, התהליך בו מעצבים את שכבות המתכת סביב לוח הסיליקון במבנה שדומה לצלחת (דק יותר במרכזו מאשר בצדדים - dishing) והבדלים מקומיים בצפיפות המתכת, עלולים לגרום לחוסר התאמה בין קבלים שאמורים להיות שווים. הם נראים אמנם דומים לעין אך מבחינה חשמלית ערכיהם שונים. ביצוע מתקדם והדמיה קפדנית הם כורח המציאות.
בדרך כלל, ארכיטקטורות המבוססות על מספר קטן יותר של רכיבים האמורים להיות זהים נחשבות לידידותיות יותר מבחינת DFM. כך לדוגמה, מספר נמוך יותר של שלבים בממיר Pipeline A/D, נחשב ליתרון. ארכיטקטורות שמבוססות על משווים (comparators) יותר מאשר על מגברים (amplifiers) עדיפות.
השפעות של קרבה ניכרות יותר בטכנולוגיה של 65 ננו-מטר ומטה, וחייבים לקחת אותן בחשבון בתכנון קפדני של עריכת מעגלים אנלוגיים.
גמישות - Portability
מספר גרסאות התהליך שננקטות במפעלי הייצור נמצא במגמת עלייה (num of process-node ). כך לדוגמה, גרסה של זליגה-נמוכה עבור תהליך של יישומים ניידים, גרסה מהירה יותר של יישומי עיבוד בהם המהירות נחשבת לקריטית, וגרסאות של מתחי IO שונים דוגמת 3.3 וולט, 2.5 וולט ו-1.8 וולט, הן תופעות רווחות בימים אלה.
למרות שמעצם טבען, יחידות המעגלים האנלוגיים אינן גמישות להמרה בין גרסאות תהליכים שונים כמו יחידות דיגיטאליות, הרי שביחס לליבות אנלוגיות, ניתן להגדיר גמישות כאלגנטיות של יחידת המעגל. על האלגנטיות יכולה להעיד, לעתים קרובות, ההתאמה של יחידת המעגל לכלי תכנון/הדמיה ולתהליכים אוטומטיים. גמישות זו מצריכה ארכיטקטורה חכמה שבסופו של דבר מצמצמת סיכונים ומגבירה את תפוקת הייצור.
ספקיות ליבות IP אנלוגיות ממלאות תפקיד חשוב בהגעה מהירה יותר לשוק (time-to-(market ובצמצום הסיכונים הכרוכים במערכות-על-שבב. משום כך עליהן להקפיד ולבחור בארכיטקטורות אלגנטיות ("גמישות"). ארכיטקטורות שמבוססות במידה רבה יותר על שיטות דיגיטאליות ועל זמן תגובה מהיר של הטרנזיסטורים, שיטות אלו נחשבות לאלגנטיות יותר מאלו שמבוססות על מספר מגברים רגישים. ספקיות פתרונות אלה יכולות לבחון את הפיתרון במספר גרסאות תהליך שונות, כדי להגביר את החוסן של הפיתרון ואת האמון בו. כתוצאה מכך קהילת מתכנני מערכות-על-שבב תיהנה מזמינות ליבות IP אנלוגיות במועד הנכון, ותוכל להעביר במהירות מערכות חדשות לפתרונות מערכות-על-שבב.
מה צופן העתיד
הכורח הוא אבי כל ההמצאות, וקהילת ליבות IP אנלוגיות עומדת בקצב שמכתיבים האתגרים. Cosmic Circuits, ספקית ליבות IP אנלוגיות, מציעה מערך ליבות IP אנלוגיות בטכנולוגיות 130 ננו-מטר, 90 ננו-מטר ו-65 ננו-מטר, ומהנדסיה מציעים נקודת מבט רעננה וחדשה וארכיטקטורות המיועדות לעידן הננו-מטר.
כך לדוגמה ביחס לממשק חזית של ליבות MIMO אנלוגיות שמציעה Cosmic Circuits. ממשק חזית מרובה ערוצים עלול להגדיל את שטח פיסת הסיליקון במערכת-על-שבב במידה משמעותית. כנ"ל לגבי צריכת ההספק והעלות. בחירה בארכיטקטורה מתאימה מאפשרת להשיג חיסכון של 40-45% בשטח הפיסה במעבר מ-130 ננו-מטר ל-65 ננו-מטר. ארכיטקטורה מתאימה אפשרה גם להשיג חיסכון דומה, של 40-45%, בצריכת ההספק.
שימוש במספר מינימאלי של מגברים ובארכיטקטורה המתאימה לטכנולוגיות ננו-מטר דיגיטליות ,מאפשר לספק מתח פעולה נמוך יותר לליבה. תכנון אלגנטי זה מאפשר גמישות רבה יותר והתאמה לגרסאות שונות של תהליכים
(porting across fab/process flavors).
לדוגמה, ביחס לממיר A/D 205MSPS 12 ביט של Cosmic Circuits, שהותאם לטכנולוגית 130 ננו-מטר לשילוב במערכות-על-שבב, נעשה שימוש בטכנולוגיית
low-amplifier count pipeline ADC technology ותוך עבודה במתח נמוך של 1.2 וולט עבור כל ה-ADC, הושג צמצום משמעותי בממדים הפיזיים ובצריכת ההספק.
ספקיות ליבות IP אנלוגיות חייבות להציע דרכים חדשות ויעילות יותר שיסייעו לחברות מערכות-על-שבב (SoC) לצמצם את הוצאות המערכת. כך לדוגמה, מתגים או וסתי מתח לינארים המיועדים לשילוב במערכות-על-שבב משרתים ישירות מטרה זו. התאמה של רכיבים אלה למכשירי אלקטרוניקה ניידים מאפשרת לא רק להפחית את עלות BOM ואת הממדים בשילוב של ליבות IP אלה, אלא גם את ניצולת ההספק, מאחר והיא מאפשרת ליישם בקלות רבה יותר שיטות לניהול דינמי של המתח (Dynamic-Voltage-Management). ספקיות ליבות IP, דוגמת Cosmic Circuits, מציעות מערך ליבות IP כאלה, בטכנולוגיית ננו-מטר, ומסייעות לקדם את התחום (Switching and Linear power-regulators).
חברת Cosmic Circuits מציעה טכנולוגיית ליבות אנלוגיות מיוחדות ובעלות ערך מוסף המשקפות תרבות של חדשנות. הארכיטקטורות החדשניות שלה נועדו לתת מענה לכל האתגרים שפורטו. המעבר מ-1.8 וולט (0.18 מיקרו-מטר) ל-1.0 וולט (65 ננו-מטר או 45 ננו-מטר ומטה), מחייב חשיבה חדשה וארכיטקטורות חדשות. ההסתפקות בארכיטקטורות קיימות לא תוכל להימשך זמן רב: מדובר בפיתרון קצר-מועד, מאחר ובשלב מסוים יגיעו מתכנני מערכות-על-שבב למסקנה שצריכת ההספק של ליבות IP אנלוגיות גבוהה מדי, שהן מקצרות יותר מדי את חיי הסוללה, קשות מדי לשילוב או בולמות טכנולוגיות המזעור החדשות.
הזירה של ליבות IP אנלוגיות מתבהרת, ואור הזרקורים מופנה לליבות אנלוגיות שמתאימות לטכנולוגיות ננו-מטר. ככל שגובר השילוב של ליבות IP אנלוגיות במערכות-על-שבב, וככל שגוברת המודעות בקרב מתכנני השבבים, כך יוסיף לעלות הביקוש לליבות IP אנלוגיות מותאמות לפי דרישה(custom IP) וזירת ליבות IP אנלוגיות תעבור לעידן הננו-מטר.
-------------------------------
חברת Cosmic Circuits ספקית מובילה של ליבות IP אנלוגיות ומעורבות (Analog & Mixed-Signal IP) וכן של שבבים אנלוגיים מלאים. החברה מתמקדת באופן מלא בטכנולוגיה אנלוגית, ומעסיקה צוות גדול של מתכננים המתמחים בתחום זה עם דגש על ארכיטקטורות אנלוגיות בעידן הננו-מטר. הפתרונות של חברת Cosmic Circuits מתאימים במיוחד לעולם של אלקטרוניקה משולבת. לחברה בסיס לקוחות עולמי שגדל בקצב מהיר וקשר עסקי ומקצועי עם כל מפעלי ייצור הסמיקונדקור המובילים. בנוסף, לחברה מערך מוצרים המקיף מגוון רחב של טכנולוגיות אנלוגיות ותהליכים מתקדמים מסוגם.
--------------------------
סופרטק אלקטרוניקה (1994), ממרכזי הפיתוח הגדולים בארץ לשירותי פיתוח ASIC - מערכות-על-שבב(SoC) . החברה מייצגת מספר חברות מובילות בתחום הסמיקונדוקטור, ליבות-IP וכלי פיתוח לתחום השבבים. עד כה ביצעה סופרטק מעל 50 פרויקטים בתחום וסיפקה מיליונים רבים של שבבים ששולבו במגוון אפליקציות בתחום הדיגטאלי, אנלוגי, מעורב וה-RF. החברה מספקת שירותים בתחומים:
Digital, Mixed Signal, Analog and RF ASIC designs, IPs and tools
Full turn key projects including FPGA design for evaluation to the final ASIC solution, FPGA Conversions and Second Sourcing, Front-End - RTL to gate level Synthesis and ATPG, Back-End Netlist to GDSII, Verification, STA, Core Designs, Assembly, Testing, Customer Support, and Joint Venture Developments.
* הכותב שי קדרי מנהל את מרכז הפיתוח, סופרטק, נציגה בלעדית של חברת Cosmic Circuits בישראל
משרד יחסי ציבור וייעוץ תקשורתי ושיווקי הוקם באוקטובר 2005 ומשרת מאז חברות טכנולוגיה מובילות וסטארטאפים בראשית דרכם המקצועית. המשרד מתבסס על ראייה שיווקית רחבה המחברת בין כל פעילויות השיווק והתקשורת הנדרשות לארגון. את המשרד מנהלת עינת מירון, בעלת ניסיון עשיר של למעלה מ-16 שנים בכל ערוצי המדיה השונים. http://www.meyron-mc.com/
