PODSTAWY MIKROELEKTRONIKI:  wykład wstępny cz. 1


Wroc



Streszczenie

Po co nam mikroelektronika?


Mikroelektronika rozwijała się początkowo głównie w celu umożliwienia miniaturyzacji sprzętu elektronicznego, ale obecnie jej rozwój stymulują inne czynniki:
Oczywiście nadal istnieją zastosowania, w których ważne są takie cechy mikroelektronicznej realizacji urządzeń i systemów, jak małe wymiary i ciężar, czy też mały pobór mocy.

Wzrost niezawodności systemów elektronicznych, jaki umożliwiła mikroelektronika, dobrze ilustruje przykład niezawodności komputerów. W połowie lat siedemdziesiątych XX wieku średni czas bezawaryjnej pracy komputera wynosił typowo kilka godzin. Dziś średni czas bezawaryjnej pracy mikroprocesora, będącego pod względem mocy obliczeniowej odpowiednikiem komputera z lat siedemdziesiątych, wynosi kilkadziesiąt lat. Oznacza to wzrost niezawodności, mierzony czasem bezawaryjnej pracy, w stosunku 1:10 000, czyli o 4 rzędy wielkości. Przy takim poziomie niezawodności, z jakim mieliśmy do czynienia przed trzydziestu laty, nie byłoby żadnych szans realizacji takich systemów, jak na przykład obejmujący cały świat system telefonii tradycyjnej czy też komórkowej. Po prostu w tak wielkich systemach liczba uszkodzonych podzespołów i bloków byłaby w każdej chwili na tyle duża, że systemy te jako całość praktycznie nie nadawałyby się do użytku.

Komputery są także dobrym przykładem spadku kosztu urządzeń elektronicznych, jaki zawdzięczamy mikroelektronice. Koszt procesora komputera z połowy lat siedemdziesiątych XX wieku zawierał się w przedziale 10 000 $ - 1 000 000 $, a dziś typowy koszt mikroprocesora zawiera się między 1 $ a 100 $. Nastąpiła więc redukcja kosztu w stosunku 1:10 000, czyli także o 4 rzędy wielkości. Większość istniejących dziś i powszechnie używanych urządzeń elektronicznych mogłaby teoretycznie być produkowana już przed trzydziestu laty, lecz byłyby one wówczas tak kosztowne, że ich produkcja nie miałaby ekonomicznego sensu, ponieważ nie znalazłyby nabywców lub użytkowników.

Zarówno koszt, jak i niezawodność zależą od wielu czynników, ale jeden z nich jest wspólny. Jest nim liczba połączeń między elementami w urządzeniu. Jeśli zbudujemy procesor komputera z miliona dyskretnych tranzystorów, mamy do czynienia z trzema milionami wyprowadzeń i połączeń między nimi. Wykonanie każdego z tych połączeń kosztuje. Wiadomo też, że w poprawnie skonstruowanym urządzeniu elektronicznym uszkodzeniom ulegają głównie połączenia między elementami, a nie same elementy.  Jeżeli procesor ma postać jednego układu scalonego, wyprowadzeń jest kilkadziesiąt lub co najwyżej kilkaset (połączenia między tranzystorami oczywiście istnieją, lecz są częścią struktury układu scalonego). Oznacza to obniżenie kosztu z grubsza równe zmniejszeniu liczby połączeń, a więc o wiele rzędów wielkości. W takim samym stosunku wzrasta niezawodność. 

Miniaturyzacja sprzyja też wzrostowi szybkości działania układów. W cyfrowych układach scalonych, w których częstotliwość zegara sięga 3 GHz i więcej (np. mikroprocesorach), czas propagacji sygnałów w bramkach logicznych jest na poziomie pojedynczych pikosekund. Tymczasem
w ciągu 1 ns (1 ns = 1000 ps) fala elektromagnetyczna przebywa tylko 30 cm!

Wynikają z tego następujące wnioski:

Dlatego dziś każde urządzenie elektroniczne budowane jest z układów scalonych. Są to takie powszechnie znane rodzaje układów, jak mikroprocesory, pamięci, układy peryferyjne, a także różnego rodzaju układy analogowe. Ale oprócz standardowych, katalogowych układów, które można kupić w sklepie, praktycznie w każdym nowym urządzeniu elektronicznym są także układy scalone zaprojektowane specjalnie do tego urządzenia. Są one zwane układami specjalizowanymi ("Application-specific Integrated Circuits" -ASIC). Układów ASIC nie projektuje się w firmach półprzewodnikowych. Projektują je konstruktorzy sprzętu, do którego układy te są przeznaczone. Każdy inżynier elektronik powinien dziś mieć przynajmniej podstawową znajomość sposobów projektowania takich układów, inaczej jego wykształcenie nie będzie odpowiadało potrzebom współczesnego przemysłu. Warto dodać, że na projektantów układów scalonych jest duże i wciąż rosnące zapotrzebowanie na rynkach pracy krajów uprzemysłowionych, a w ostatnich latach także w Polsce.

Układy ASIC są produkowane przez wyspecjalizowanych producentów, którzy zwykle nie zajmują się w ogóle produkcją układów standardowych. Owi wyspecjalizowani producenci działają w wielu krajach świata, w tym w krajach całkiem małych, nie będących technologicznymi potęgami (w Europie np. w Austrii, Belgii, Szwecji). W Polsce nie ma obecnie komercjalnej produkcji układów scalonych, ale możliwości projektowania specjalizowanych układów scalonych i zlecania ich produkcji w wyspecjalizowanych firmach ("silicon foundry") są takie same, jak w każdym innym kraju uprzemysłowionym. Typowy proces tworzenia nowego układu specjalizowanego odbywa się w następujących etapach:
Prototypową serię układów zamawia się u producenta układow ASIC, najczęściej za pośrednictwem wyspecjalizowanej firmy lub organizacji, która zbiera projekty od wielu klientów i składa z nich t.zw. płytki wieloprojektowe.

Plytka wieloprojektowa

Przykład płytki wieloprojektowej (płytka wyprodukowana na doświadczalnej linii produkcyjnej Instytutu Technologii Elektronowej w Warszawie).

Na takich płytkach w jednym procesie produkcyjnym wytwarza się układy dla bardzo wielu odbiorców. Pozwala to podzielić wysokie koszty przygotowania produkcji nowych układów na wielu klientów, i w ten sposób koszt prototypowej serii układów (10 - 20 szt.) staje się całkiem nieduży. Koszt wykonania takiej prototypowej serii układów w prostej i taniej technologii zaczyna się od kilku tys. euro. Projekty przesyła się przez internet, a czas oczekiwania na prototypowe układy wynosi zwykle 2 - 3 miesiące. Jeśli prototypowe uklady spełniają wymagania, można w ten sam sposób zamówić produkcję seryjną. Koszt egzemplarza układu w produkcji seryjnej zależy od stopnia złożoności układu, jego wielkości, technologii produkcji, rodzaju obudowy oraz długości serii produkcyjnej. Może to być kilkanaście eurocentów, ale i kilkadziesiąt euro. Trzeba jednak podkreślić, że w dzisiejszych realiach zaprojektowanie i zamówienie produkcji niezbyt skomplikowanego układu specjalizowanego jest ekonomicznie dostępne nawet dla niewielkiej firmy prywatnej.

W Europie instytucją obsługującą zarówno firmy, jak też wyższe uczelnie i instytucje naukowe, organizującą produkcję układów specjalizowanych, udostępniającą oprogramowanie do projektowania, a także świadczącą inne usługi z tym związane, jest EUROPRACTICE: http://www.europractice.com/

Głównym celem naszego wykładu jest wprowadzenie do projektowania cyfrowych i analogowych układów ASIC.


Wroc

Dalej


Sem. 11Z