projektovanje elektronskih...

1

Projektovanje elektronskih kola

Prof. Dr Predrag Petković,Mr Miljana Sokolović

Katedra za elektronikuElektronski fakultet Niš

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/

2


Literatura:V. LitovskiProjektovanje elektronskih kola

Simulacija Optimizacija Testiranje Fizičko projektovanje

P. Petković, M. Sokolović, B. anđelkovićProjektovanje integrisanih kola

VHDL simulacija i sinteza


3


Sadržaj:I. Uvod - sistem projektovanjaII. Analiza primenom računaraIII. Optimizacija el. kolaIV. Logička simulacija


4

I. Uvod – sistem projektovanja

Sadržaj:1. Osnovni pojmovi 2. Stilovi projektovanja3. Izbor stila projektovanja4. Automatizacija projektovanja


5

1. Osnovni pojmovi

1.1 Definicija1.2 Faze projektovanja1.3 Projektovanje u užem smislu1.4 Aspekti projektovanja


6

1.1 Definicija

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


7

1.1 Definicija

Šta je mobilni telefon?

To je sprava koja omogućava bežični telefonski razgovor i prenos poruka u digitalnom obliku.


Kako se opisuje projekat?

8

1.1 Definicija


To je sprava koja ima integrisani mikrofon, ADC, pojačavač, primopredajnik, DAC, antenu


Analog Baseband

Digital Baseband(DSP + MCU)

PowerManagement

Small Signal RF

PowerRF


9

1.1 Definicija


To je sprava od plastike, dimenzija 10x5x2.5 cm sa LCD ekranom i tastaturom od 18 tastera



10

1.1 Definicija

DOMENI opisa projekta

1. Funkcijonalni opis Šta kolo/sistem radi(opis ponašanja)

2. Strukturni opis Čime se ostvaruje 3. Fizički opis Kako izgleda



11

1.1 Definicija

NIVOI opisa projektaZavise od toga ŠTA opisujemoDigitalni sistem (PC ili digitalno kolo)

1. Sistemski2. Algoritamski3. RTL4. Logički5. Električni



12

1.1 Definicija



n+n+S

GD

+

KOMPONENTA

KOLO

GEJT

MODUL

SISTEM

13

1.1 Definicija


Ravan projektovanja između ose domena i ose nivoa (apstrakcije)

Funkcionalni(ponašanje)

Strukturni

Fizicki

dom

en

nivo apstrakcije

Sistemski (s

istem)

Algoritamski (m

odul)

RTL (registr

i)

Logicki (g

ejt)

Elektric

ni (kolo)

14

1.1 Definicija


Ravan projektovanja između ose domena i ose nivoa (apstrakcije)


nivo apstrakcije

Algoritamski (modu )

istemsk

stem

S

i (si)

(RTL

registri)

Logicki (gejt)

l

i

E ektricn

(kolo)

Strukturni

Fizicki

dom

en

15

1.1 Definicija


16

1.1 Definicija


Dodavanjem ose aplikacije, ravan prerasta u prostor projektovanja


Projekat 1(sat)

Projekat 2(PC)

Projekat 3(mobilni telefon)

Strukturni

Fizicki

dom

ennivo apstrakcije

Sistemski (s

istem)

Algoritamski (m

odul)

RTL (registr

i)

Logicki (g

ejt)

Elektric

ni (kolo)

aplikacija

17

1.1 Definicija


Projektovanje predstavlja kretanje kroz projektni prostor

Prelazak iz opisa ponašanja u strukturni opis predstavlja strukturno

projektovanjePrelazak iz strukturnog u fizički je

fizičko projektovanje

18

1.1 Definicija


PROJEKAT:SistemModul…Gejt...Kolo...Komponenta

19

1.1 Definicija

Funkcija Šta?PROJEKAT = Struktura Čime?

Izgled Kako?


20

1.1 Definicija

Šta Opis ponašanja (funkcionalni)

Čime Strukturni opis

Kako Fizički opis


21

Opis ponašanja Strukturni opis

Geometrijski opis

1.1 Definicija


22

1.1 Definicija

Na osnovu čega se procenjuje uspešnost projektovanog kola?

• Cena• Pouzdanost• Brzina (kašnjenje,radna frekvencija) • Disipacija snage• Potrošnja energije• Mogućnost skaliranja sa promenom

tehnologije


23

1. 2 Faze projektovanja


Uno enje zahteva

Projektovanje

Izrada prototipa

Kvalifikacija zaproizvodnju

š

24

1. 3 Projektovanje u užem smislu


Sinteza

Verifikacija

SintezaProjektovanjelogicke i

elektricne šeme

Fizickoprojektovanje

Verifikacija

Sinteza

Verifikacija

Sinteza

Verifikacija

25

1.4. Aspekti projektovanja

1. Tehnološki aspekt projektovanja2. Sistemski aspekt projektovanja3. Aspekt testiranja4. Ekonomski i pravni aspekt5. Ekološki aspekt projektovanja


26


Tehnološki


Minimalna dimenzija nm[ ]250

130

180

3550

70

100

1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

27

Tehnološki aspekt projektovanja


Prvi tranzistor Bell Labs, 1948 Walter Houser Brattain,

John Bardeen, William Bradford Shockley

Nobelova nagrada za fiziku 1956

28



The integrated circuit was first conceived by a radar scientist, Geoffrey W.A. Dummer (born

1909), working for the Royal Radar Establishment of the British Ministry of

Defence, and published in Washington, D.C. on May 7, 1952. Dummer unsuccessfully attempted

to build such a circuit in 1956.

29



Prvo integrisano kolo Texas Instruments, 1959, February 6

Jack Kilby

½ Nobelova nagrada za fiziku

2000.1.5625 x 10.9375 mm

30



19711000 transistors1 MHz operation

Intel 4004 Micro-Processor Intel Pentium (IV) microprocessor

31



Murov zakon (1965)Broj tranzistora na čipu udvostručava se svakih 18-24 meseci

1 61 51 41 31 21 11 0

9876543210

1959

1960

1961

1962

1963

1964

1965

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1972

1973

1974

1975

LOG

2 OF

THE

NU

MB

ER O

FC

OM

PON

ENTS

PER

INTE

GR

ATE

D F

UN

CTI

ON

Electronics, April 19, 1965.

32



Murov zakon primenjen na mikroprocesore

400480088080

8085 8086286

386486 Pentium® proc

P6

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1970 1980 1990 2000 2010Godina

Bro

j tra

nzis

tora

x 1

.000

.000

Porast 2X za 1.96 godina!

Broj tranzistora u vodećim mikroprocesorimaudvostručava se na svake 2 godine

Broj tranzistora u vodećim mikroprocesorimaudvostručava se na svake 2 godine

33



40048008

80808085

8086286

386486 Pentium ® procP6

1

10

100

1970 1980 1990 2000 2010Godina

Dim

enzi

ja č

ipa

(mm

)

Godišnji rast ~7%Rast za 10 godina ~2X

Dimenzija čipa raste 14% da bi se zadovoljio Murov zakonDimenzija čipa raste 14% da bi se zadovoljio Murov zakon

34



P6Pentium ® proc

48638628680868085

8080800840040.1

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010Godina

Frek

venc

ija(M

hz)

Radna frekvencija mikroprocesora udvostručava se na svake 2 godineRadna frekvencija mikroprocesora udvostručava se na svake 2 godine

Udvostručava se na 2 godine

35



P6Pentium ® proc

486386

2868086

808580808008

4004

0.1

1

10

1971 1974 1978 1985 1992 2000Godina

P (W

)

Snaga i dalje rasteSnaga i dalje raste

36



5KW 18KW

1.5KW 500W

4004800880808085

8086286

386486

Pentium® proc

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008Godina

P (W

)

Napajanje i disipacija snage postaće veliki problem!Napajanje i disipacija snage postaće veliki problem!

37



400480088080

8085

8086

286 386486

Pentium® procP6

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010Godina

Gus

tina

snag

e(W

/cm

2)

Ringla

NuclearniReaktor

RaketniMotor

Gustina snage je velika i čip se grejeGustina snage je velika i čip se greje

38



Procesori sa dva jezgra (od aprila 2005.)

Intel® Pentium® processorExtreme Edition die

AMD Athlon™ 64 X2 Dual-Core Processor

for Desktop

Procesori sa dva jezgra (od aprila 2005.)

Intel® Pentium® processorExtreme Edition die

AMD Athlon™ 64 X2 Dual-Core Processor

for Desktop

Intel® Pentium® processor Extreme Edition die

39

Sistemski aspekt projektovanja


40

Sistemski aspekt projektovanja


Prvi let braća Rajt obavila su 1903.

brzina 48km/h

Prvi putnički avion na mlazni pogon 1959. ~1000km/h

Danas, posle 45 godina, avioni lete istom brzinom

Poređenje sa razvojem avio industrije

41

Aspekt testiranja


Odgovor na pitanje da li su zadovoljeni projektni zahtevi

Ne unosi novu vrednost

42

Aspekt testiranja


Pravilo 10x1

Troškovi testiranja po defektu

test

iran

jeko

mpo

nena

ta

test

iran

jepl

oca

test

iran

jesi

stem

a

1

10

100

43

Aspekt testiranja


Testiranje komponente u

fazi proizvodnje

44

Ekonomski i pravni aspekt


Tržište Elektronskih uređaja u 2003. godini$ 1 100 000 000 000

Poluprovodnička industrija$ 169 000 000 000

45



Tržište mobilnih telefona(Broj prodatih)

Godina 1996 1997 1998 1999 2000Količina 48M 86M 162M 260M 435M

Analog Baseband

Digital Baseband(DSP + MCU)

PowerManagement

Small Signal RF

PowerRF

((podaci izpodaci iz Texas Instruments)Texas Instruments)

46



47



Zadatak svih fabrika na svetu je da proizvode samo jadan ‘artikal’

48



Fiksni troškoviVreme i cena projektovanjaCena izrade maskeOstali fiksni troškovi (zakupnina prostora, ...)

Proporcionalni troškoviCena urošenog materijala (silicijuma), pakovanja (kućišta), testiranjaProporcionalni veličini serijeProporcionalni površini čipa

49



Raste cena fiksnih troškova

50



Na porast fiksnih troškova utiče rast troškova projektovanja:

Projektanti su skupi i postaju skuplji• obrazovanje• uslovi rada• uslovi života

Investicije u novi hardverInvesticije u novu softver ($100 000)

51



Cena jednog peleta

pelet (die)

Ploča (Wafer)

From http://www.amd.com

52



Očekuje se porast veličine pločice na12” (30cm)

53



Prinos po pločici (Yield)

NdiY= x100 %

Nd

Ndi - broj ispravnih peleta

Nd – ukupan brojpeleta na pločici

54



( )d

w

d

2w

dA2

DA

/2DN××

−×

=ππ

CwC d =

Nd x Y

D w – prečnik pločiceA d – površina peleta

Troškovi po peletu Cd

Troškovi po pločici Cw

55



α ª 3

broj defekata po jedinici površine x AdYd =(1+ )

α

Prinos po peletu

−α

troškovi izrade peleta, Cd = f (Ad) 4

56



Cena po tranzistoru

0.00000010.0000001

0.0000010.000001

0.000010.00001

0.00010.0001

0.0010.001

0.010.01

0.10.111

19821982 19851985 19881988 19911991 19941994 19971997 20002000 20032003 20062006 20092009 20122012

troškovitroškovi: : ¢¢--popo--trantranzzistoristoruu

Troškovi izrade po tranzistoru prate Murov zakon

57



$4179%402961.5$15000.803Pentium

$27213%482561.6$17000.703Super Sparc

$14919%532341.2$15000.703DEC Alpha

$7327%661961.0$13000.803HP PA 7100

$5328%1151211.3$17000.804Power PC 601

$1254%181811.0$12000.803486 DX2

$471%360431.0$9000.902386DX

Die cost

YieldDies/wafer

Area mm2

Def./ cm2

Wafer cost

Line width

Metal layers

Čip

58



IP - Intelektualna svojina prava vezana za IP proističu iz zaštite:

ZnakaPatentaAutorskog prava nad kopijom književnog delaPrava na javno izvođenjeRegistrovanih oblika i likova Projekata

Kako stimulisati inventivnost?

Kako zaštititi IP na složeni el. sistem?

59



Predmet zaštite:

Hardver PatentSoftver Autorsko pravo nad kopijom književnog delaBaza podataka Posebno pravo na organizaciju i

sadržaj bazeIntegrisano kolo Zaštita lejauta, imena,...

60



StandardiDokumenti 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.

61



StandardiMeđunarodni :

•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

62



Standardi

63


64


65


66



Nacionalni standardi

Institution for Standardization of Serbia and Montenegro

67



http://www.jus.org.yu/

68


1. Tehnološki aspekt projektovanja2. Sistemski aspekt projektovanja3. Aspekt testiranja4. Ekonomski i pravni aspekt5. Ekološki aspekt projektovanja


69

Ekološki aspekt projektovanja


Broj elektronskih uređaja u upotrebi postaje sve veći!

•Da li ćemo imati dovoljno energije za njihov rad?

Raste broj elektronskih uređaja van upotrebe!

•Šta raditi sa uređajima koji se ne koriste?

70



Rešenje tražiti još tokom projektovanja:

Glavni problemi•Potrošnja energije•Zagađenje istrošenim proizvodima•Zagađivanje otrovnim materijalima

Projektovanje za prirodnu okolinu

71



Potrošnja energije• 1995. 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 10GW za napajanje ‘isključenih’ uređaja!

• Debljina žice za instalacije 2R daje 75% uštede disipirane snageDa li se isplati štedeti bakar ili energiju?Za 50 godina ušteda od 100W daje 50 MWh uštede

> od cene bakra.72



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,...

73



Zagađenje istrošenim proizvodima

•1998. 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

74



Tehnološki vek pojedinih uređaja (podaci iz 1999.)

75



Tehnološki vek računara proizvedenih 1999. je 3,1 godina!

76



Gomilanje elektronskog otpada!

77



Projektovanje za prirodnu okolinu:

•Briga o zdravlju•Briga o prirodnoj okolini i sigurnosti tokom

čitavog životnog veka proizvoda

•Projektovanje za preradu•Projektovanje za reciklažu•Projektovanje za produženje životnog veka proizvoda

Osnovne smernice

78



Ponovna upotreba•Donacije neprofitabilnim grupama•Prodaja preprodavcima•Interni programi za ponovnu upotrebu

U IBM više pogona za rastavljanje upotrebljivih računara 1994-1997 prerađeno 30 000t, ušteda $50M, zarada od prodaje komponentata $10M i od prodaje materijala $5M.

79



Ponovna upotreba

Projektovanje za ponovnu upotrebu:EDL Electronic Data Log

(EEPROM pamti režim rada uređaja radi procene oporavka)

80



Ponovna upotreba

DisplejiStakloHg

Izvori za napajanjePVCAl

MonitoriNerđajući čelikNi, Cu, Zn

ICTvrda plastikaPt, Au, Ag

KomponenteJedinjenjaMaterijali

81



Reciklaža

Isplativost: •fizičke karakteristike•Cena reciklaže

Postupak:•Odvajanje prema tipu materijala•Odvajanje ručno i mašinsko•Obrada materijala

82



83



Odlaganje

•Zatrpavanje•Spaljivanje•Izvoz

84



2002. Preporuke EU

•Smanjenje količine otpada•Obaveza sakupljanja – vraćanje proizvođaču,• ponovna upotreba, •reciklaža

85



2002. Preporuke EU

•Smanjiti rizik odlaganja•Novi materijali, •smanjenje upotrebe rizičnih materijala

•Rukovanje otpadom•U skladu sa prirodom

86



Novi materijali

87



ISO 14000 i rezultati

•SGS Tomphson primena principa PPO dovelo do povećanja profita:

•energija sa 680kWh/$1000 na 550kWh/$1000

•voda 11,3m3/$1000 na 7,8m3/$1000

•Otpad sa 71% na 35%

•Potrošnja papira 1200t/god na 800t/god

88

I. Uvod

Sadržaj:1. Osnovni pojmovi2. Stilovi projektovanja3. Izbor stila projektovanja4. Automatizacija projektovanja


projektovanje elektronskih...

Documents