Układy scalone a koszty produkcji urzadzeń

Aby osiągnąć sukces na konkurencyjnym rynku, organizacje zajmujące się produkcją muszą ciągle poszukiwać sposobów obniżenia kosztów, skrócenia czasu produkcji oraz równoczesnej poprawy jakości produktu. Dodatkowo, konkurencja na rynku zmusza do utrzymywania niskich cen. Wielką rolę w realizacji tych, sprzecznych na pierwszy rzut oka, celów odgrywają projektanci i to nie tylko w czasie projektowania, ale również we wszystkich następnych okresach "życia" produktu: od fazy wprowadzenia na rynek, poprzez wzrost, dojrzałość, nasycenie aż do fazy spadku (rys. 1).

Aby osiągnąć sukces na konkurencyjnym rynku, organizacje zajmujące się produkcją muszą ciągle poszukiwać sposobów obniżenia kosztów, skrócenia czasu produkcji oraz równoczesnej poprawy jakości produktu. Dodatkowo, konkurencja na rynku zmusza do utrzymywania niskich cen.

Wielką rolę w realizacji tych, sprzecznych na pierwszy rzut oka, celów odgrywają projektanci i to nie tylko w czasie projektowania, ale również we wszystkich następnych okresach "życia" produktu: od fazy wprowadzenia na rynek, poprzez wzrost, dojrzałość, nasycenie aż do fazy spadku (rys. 1).

Nie istnieją tak doskonałe projekty, aby nie trzeba było ich modyfikować. Mimo że w fazie wprowadzania produktu na rynek najważniejszym działaniem z nim związanym jest jego promocja, to może pojawić się konieczność jego modyfikacji ułatwiającej zwiększenie produkcji. Konieczność modyfikacji, polegających głównie na zmianach konstrukcyjnych mających na celu zmniejszenie kosztów wytwarzania urządzenia, może się pojawić w fazie wzrostu. Działanie takie pozwoli na obniżanie ceny produktu w walce z konkurencją, która zwykle pojawia się w tej fazie życia produktu. Ponieważ konkurencyjny produkt wchodzi na rynek później niż oryginał, może on być doskonalszy od niego. Tak więc należy rozpocząć modyfikacje polegające na uatrakcyjnieniu produktu dla klienta w celu zachowania rynku. Takie modyfikacje prowadzą również do przedłużenia życia rynkowego wyrobu. Ze względu na duże zyski w fazach wzrostu i dojrzałości, jest to dobry czas na prace nad nowym wyrobem.

Rysunek 2 przedstawia zależność zysków od czasu dla dwu podobnych produktów konkurujących ze sobą firm, przy czym w wypadku produktu B czas przygotowania produkcji był dłuższy. Jak widać, w tym wypadku rentowność przedsięwzięcia jest znacznie niższa. Z amerykańskich badań przeprowadzonych dla 20 różnych wyrobów konsumpcyjnych w ciągu 15 lat wynika, że pierwszy wyrób z reguły opanowuje rynek. Następny przynosi już tylko połowę efektów uzyskiwanych przez innowatora. W przemyśle elektronicznym półroczne opóźnienie może decydować o nieopłacalności przedsięwzięcia. Warunkuje to wiele czynników. Po pierwsze, wejście nowego produktu na rynek stawia jego producenta na pozycji uprzywilejowanej ze wszystkimi wynikającymi z tego faktu korzyściami (np. dyktowanie ceny). Ponadto nazwa firmy produkującej dany towar lub nazwa firmowa produktu często wchodzi na stałe do języka potocznego jako nazwa produktu. W Polsce przykładami mogą być buty sportowe potocznie nazywane adidasami, czy przenośne magnetofony kasetowe walkmany (zastrzeżona nazwa produktu firmy Sony).

Dobór metod przygotowania produkcji oraz samych metod produkcji jest zadaniem inżyniera-projektanta. Metodologia przygotowania produkcji oraz zastosowana technologia rozstrzygają o szybkości wdrożenia produkcji, a tym samym są jednym ze składników decydujących o sukcesie. Te same czynniki decydują również o łatwości wprowadzania modernizacji w produkowanym już urządzeniu.

Dzisiejszy projektant sprzętu cyfrowego ma do wyboru bardzo szeroki wachlarz metod projektowania urządzeń cyfrowych i powiązanych z tym technologii podzespołów oraz zespołów. Może budować urządzenia wybierając złożone układy z katalogów (np. urządzenia sterowane mikroprocesorem), jak i konstruować specjalizowane urządzenia cyfrowe stosując układy małej i średniej skali integracji (TTL), układy PLD, FPGA, układy projektowane pojedynczymi maskami lub zestawami masek. Każda z tych technologii ma swoje wady i zalety zarówno techniczne, jak i ekonomiczne.

W warunkach polskich technologie urządzeń cyfrowych sterowanych mikroprocesorem i technologia TTL mają przewagę nad pozostałymi ł są opanowane zarówno przez konstruktorów, jak i produkcję. Istnieje już w Polsce tradycja i odpowiedni sprzęt. Warto się jednak zastanowić nad zaletami innych technologii.

Układy ASIC

Parametry techniczne przedstawionych poniżej układów nie różnią się specjalnie między sobą dla typowych zastosowań układów cyfrowych w zakresie częstotliwości nawet do 100 MHz, są wykonywane w prawie wszystkich technologiach. Praktycznie różnią się tylko ceną i szybkością dostawy.

Największe układy ASIC są zwykle produkowane w wielkich seriach i najczęściej całkowicie wykonywane przez producenta dla zamawiającego (full custom). Rola zamawiającego ogranicza się do przedstawienia wymagań (założeń projektowych), a do producenta należy wykonanie projektu, prototypu, sprawdzenie działania prototypu oraz ostateczna produkcja. Ponieważ układy te opracowywane są w całości w wyspecjalizowanych przedsiębiorstwach, możliwe jest stosowanie najbardziej wyrafinowanych technik projektowania (swobodna struktura układu) i produkcji. Tak więc układy te są zwykle najszybsze i największe (pod względem złożoności realizowanych funkcji), ale zarówno proces projektowania (komputery o potężnych możliwościach obliczeniowych i bardzo kosztowne oprogramowanie), jak i uruchomienia produkcji (wielofazowy proces produkcyjny) jest bardzo kosztowny oraz długotrwały (lata). Z tych powodów układy takie opłaca się produkować tylko w bardzo dużych seriach. Wśród użytkowników popularność tych układów spada: o ile w 1986 r. stanowiły one 52% rynku układów ASIC, to w 1992 r. już tylko 26. Przewiduje się, że w 1997 r. spadnie do 17%.

Przy powstawaniu układów semi-custom rola zamawiającego jest większa: projektuje on lub bierze aktywny udział w projektowaniu układu oraz testuje prototypy, dlatego też układy te nazywamy układami projektowanymi przy udziale użytkownika. Ponieważ można projektować te układy w firmie zamawiającego (mniejsze doświadczenie ludzi w tego typu pracach), jest więc wskazane, aby oprogramowanie wspomagające było prostsze w stosunku do poprzednich układów, a co za tym idzie również konstrukcja powinna być łatwiejsza do projektowania, modyfikowania i uruchamiania. Z tych powodów sięga się tutaj po technologie łatwiejsze: matryce makrokomórek (cell array) lub bramek (gate array).

Projektowanie matryc makrokomórek polega na składaniu układu z gotowych elementów: bramek, multiplekserów, przerzutników, liczników i nawet znacznie bardziej złożonych elementów. Zaprojektowany w ten sposób układ jest przesyłany do producenta, który korzystając z biblioteki masek ww. elementów wytwarza zamówione układy. Tak więc proces produkcyjny takich układów jest prawie tak samo drogi i długotrwały, jak w wypadku układów o swobodnej, strukturze ze względu na wieloetapowość procesu produkcyjnego, ale czas projektowania jest znacznie krótszy.

Wykorzystanie matryc bramek pozwala z kolei na skrócenie czasu produkcji. W tym wypadku projektuje się jedynie połączenia między elementami logicznymi, które znajdują się na prefabrykowanej strukturze scalonej. Produkcja układu polega na wytworzeniu prefabrykatu wspólnego dla określonej linii technologicznej, a następnie poprowadzeniu połączeń wg zadanego projektu. Ze względu na dużą liczbę produkowanych prefabrykatów (dla różnych projektów) i stosunkowo prosty etap dostosowania prefabrykatu do projektu, układy te opłaca się produkować w jeszcze mniejszych seriach (mnimalna długość serii w zależności od producenta waha się od 2000 - Fujitsu do 25.000 -Oki). Dla porównania układów zrealizowanych jako matryce makrokomórek i matryce bramek, w tabeli 1. zestawiono parametry układów ASIC wykonywanych przez firmę American Microsystems Inc.

Koszt początkowy wyprodukowania wymienionych powyżej układów nazywa się opłatami NRE (non-recurring engineering), który jest związany bezpośrednio z wyprodukowaniem prototypu przez producenta układów ASIC. Zwykle opłaty te pokrywają koszt wyprodukowania masek, oprzyrządowania i symulacji.

Do produkowania małych serii (do dziesiątek tysięcy) układów specjalizowanych najbardziej opłacalne są układy programowane przez użytkownika (PL - programmable logic). W ich wypadku proces produkcyjny jest odmienny ł producent dostarcza "prefabrykaty" projektantowi, który może je zaprogramować u siebie "na biurku". Ze względu na łatwość stosowania, niską cenę i niezawodność, wyparły one prawie całkowicie układy średniej i małej skali integracji we wszystkich ich zastosowaniach. W porównaniu z wcześniej opisywanymi układami ASIC, układy programowane przez użytkownika są wolniejsze i mniej pojemne (pod względem złożoności realizowanych funkcji), ale mają następujące ważne zalety:

  • opracowywanie i programowanie układu trwa od kilku godzin do kilku dni

  • koszty małych serii są wielokrotnie mniejsze

  • brak kosztów NRE.
Układy programowane przez użytkownika są wykorzystywane do wykonywania modeli laboratoryjnych, prototypów, serii próbnych oraz produkcji małoseryjnej (do 10 tys. egzemplarzy).

programowanie

Pierwszymi układami cyfrowymi programowanymi przez użytkownika były pamięci PROM (Programmable Read Only Memories) opracowane na początku lat 70. Po kilku latach zostały opracowane w Signetics Corp. układy PLA (ang. Programmable Logic Array). Ze względu na duży czas propagacji i pobór mocy, nie odniosły one dużego sukces rynkowego. Matryce PLA nadal odgrywają dużą rolę jako elementy składowe większych struktur przy produkcji złożonych układów cyfrowych (np. mikroprocesorów).

Pod koniec lat 70. w Monolithic Memories Inc. rozpoczęto produkcję układów PLD (Programmable Logic Devices) o strukturze PAL (Programmable Array Logic). Przez ponad 10 lat tradycyjna struktura PAL poddawana była stałym modyfikacjom (np. układy GAL). Wadą pierwszych układów była mała liczba wyprowadzeń, zarówno wejść, jak i wyjść oraz mała złożoność realizowalnych funkcji (ok 100 bramek przeliczeniowych). Zwiększanie liczby wejść i wyjść, a w konsekwencji macierzy połączeń jest dla klasycznej struktury PAL niekorzystne, gdyż pogarsza parametry czasowe układu. Rozszerzanie możliwości układów PLD poprzez łączenie ich w sieci również nie zadowalało w pełni konstruktorów. Tak więc w poł. lat 80. (w celu zwiększenia liczby wyprowadzeń oraz pojemności logicznej układów PLD) na jednej płytce krzemu zaczęto realizować kilka połączonych ze sobą macierzy PAL. Obecnie, do najpopularniejszych producentów układów CPLD (Complex PLD) należą firmy Altera Corp. (układy rodziny MAX 5000 i 7000 o złożoności do 15 tys. bramek przeliczeniowych) oraz Advanced Micro Devices (układy rodzin MACH o złożoności do 5 tys. bramek przeliczeniowych).

W tym samym czasie firma Xilinx podjęła produkcję układów programowanych przez użytkownika, ale o odmiennej strukturze niż układy PLD. Przypominają one układy programowane do tej pory maską ł matryce bramek ł i charakteryzują się dużą liczbą prostych komórek łączonych między sobą programowanymi połączeniami. Sukcesy firmy Xilinx spowodowały pojawienie się innych układów FPGA (Field Programmable Gate Array) programowanych przez użytkownika, o strukturze matryc komórek lub matryc bramek. Obecnie do najważniejszych rozwiązań w tej dziedzinie (oprócz firmy Xilinx) należy zaliczyć produkty firm Actel (układy rodziny ACT) i Concurrent Logic. Na początku lat 90. do wyścigu o zyski włączyli się tradycyjni producenci układów programowanych maskami: Texas Instruments, AT&T, Siemens i Fujitsu. Produkowane w tych firmach układy osiągają złożoność ok. 30 tys. bramek przeliczeniowych.

Nie można przewidzieć, który z typów układów programowanych przez użytkownika (CPLD czy FPGA) wygra w przyszłości konkurencję. Nie są tego pewni nawet czołowi producenci układów. Tak więc firma XILINX zainwestowała również w układy CPLD, a w firmie ALTERA opracowano układy FPGA pod nazwą FLEX (obecnie największe układy programowalne - 44 tys. bramek przeliczeniowych).

Na podstawie wykresu (rys. 4) opracowanego przez niezależną amerykańską firmę konsultingową, znając przewidywaną wielkość produkcji, w przybliżeniu można określić, którą klasę układów ASIC należy zastosować. Przedstawia on zależność kosztów jednostkowych od wielkości producji urządzenia elektronicznego dla każdego z typów układów ASIC. Przy produkcji do 5 tys. sztuk najniżej położona jest linia dotycząca układów programowalnych przez użytkownika - co oznacza że dla tej wielkości produkcji najniższy koszt jednostkowy uzyskuje się dla tych układów. Jeżeli przewidywana wielkość produkcji będzie większa niż 5 tys. sztuk, najbardziej ekonomiczne będą układy typu matryc bramek, następnie komórki standardowe, a w końcu układy całkowicie projektowane i wykonywane przez producenta (full custom). Wynika z tego, że w warunkach amerykańskich, w ogóle nie opłaca się stosować technologii małej i średniej skali integracji. Jest to spowodowane nie tylko wielkością kosztów początkowych, ale ceną samych układów. Istotna jest również możliwość stosowania systemów automatycznej syntezy dla układów ASIC, która wpływa na zwiększenie szybkości powstawania projektów i/lub zwiększenie jakości projektowanych urządzeń.

W warunkach polskich, ze względu na nieznajomość zagadnień projektowania z użyciem układów programowalnych (najczęściej są one kojarzone co najwyżej z najprostszymi układami np. GAL) koszt stosowania takich układów zwiększa się o koszt szkolenia projektantów, a w szczególności koszt nauki nowoczesnych narzędzi wspomagających projektowanie urządzeń cyfrowych oraz nowej metodologii projektowania.

Zyski płynące ze stosowania układów scalonych o większym stopniu scalenia wynikają m.in. z następujących czynników:

  • zmniejszenia powierzchni płytki, liczby warstw połączeń, wielkości modułu, a w konsekwencji urządzenia;

  • zmniejszenia poboru mocy;

  • zwiększenia niezawodności, m.in. ze względu na mniejszą liczbę połączeń na płytce drukowanej;

  • mniejszych oprzyrządowań i szybszych wdrożeń do produkcji;

  • mniejszego odsetka wadliwych urządzeń;
Zaletą układów programowalnych przez użytkownika, wyróżniającą z grona innych układów ASIC, jest łatwość programowania. Z tego powodu stosuje się je do badań oraz wytwarzania prototypów, serii próbnych, informacyjnych, gdzie jest szczególnie pożądana łatwość dokonania zmian funkcjonowania układu. Ze względu na niskie koszty, układy programowalne stosuje się również w produkcji mało i średnioseryjnej (np. dostosowanie do wymagań indywidualnego klienta). Inną unikalną zaletą układów programowalnych jest możliwość dokonywania hurtowych zakupów jednego asortymentu zamiast wielu różnych układów (MSI/LSI czy innych układów ASIC), co jest szczególnie istotne przy produkcji mało i średnioseryjnej.

Wbrew powszechnej opinii koszt oprogramowania i sprzętu niezbędnego do stosowania układów programowalnych nie jest duży. Przykładowo w firmie warszawskiej WG Electronics można kupić programator i oprogramowanie dla układów GAL za 5 mln zł (bez VAT), bardziej rozbudowany programator i oprogramowanie obejmujące wszystkie tradycyjne układy PLD nie przekracza 10 mln zł (bez VAT). Droższe systemy pozwalające wykorzystywać najbardziej zaawansowane technologie. Lecz nie zawsze, gdyż system do projektowania i programowania układów XILINX kosztuje ok. 1 tys. USD (w firmie Elbatex obowiązuje obecnie cena promocyjna 499 USD). Cena zawansowanych systemów jednak nie jest porównywalna z kosztem uzyskania innych układów ASIC. W warunkach polskich, gdzie jednak nadal występują trudności ze zdobyciem pełnego asortymentu układów małej i średniej skali integracji (długie terminy dostaw i często bardzo wysokie ceny) decyzja o stosowaniu układów dających się dowolnie programować dla wielu firm jest bardzo atrakcyjna i liczba instalacji nawet bardzo zaawansowanych systemów szybko rośnie, tym bardziej, że często firmy sprzedające systemy do projektowania układów programowalnych sprzedają również odpowiednie układy, tak jak to robią firmy WG Electronics i Elbatex.


TOP 200