Изменчивая природа ASIC

Есть ли у ASIC перспективы? В 2011 г. объем рынка этих микросхем превысил 20 млрд долл. По прогнозам аналитической компании Semico Research, годовой темп роста рынка ASIC с учетом сложных процентов (CAGR) за 2010–2014  гг. составит 7,6%. Однако вопрос о перспективах применения ASIC остается открытым по многим причинам.
Стоимость разработки ASIC по новейшим технологиям обходится в десятки миллионов долларов. Комп­лект фотошаблонов и пластин — лишь малая часть этой стоимости; основная доля приходится на определение архитектуры, проектирование, верификацию и формирование топологии. Чтобы оправдать такие расходы, объем рынка должен быть очень большим. Из рисунка 1 видно, что, например, стоимость разработки 45-нм ASIC может превысить 40 млн долл.

Рис. 1. Разработка ASIC рентабельна при объеме выпуска этих микросхем в 10 млн шт.

Если 20% выручки расходуется на исследования и разработку, то величина дохода должна быть, по крайней мере, равна 200 млн долл. Следовательно, при средней продажной цене одной микросхемы в 20 долл. потребуется произвести 10 млн шт. ASIC, чтобы оправдать вложенные средства. Следует учесть, что в случае каких-либо ошибок в проектировании этих микросхем или в спецификации расчетный объем увеличивается. Анализ деятельности индустрии показывает, что только одна треть всех проектов ASIC лишена ошибок на первом этапе реализации в кремнии.
Таким образом, далеко не все ОЕМ-производители отваживаются на разворачивание собственного производства ASIC. Чаще всего, компании, работающие по модели IDM (Integrated Device Manufacturer — разработка, производство и продажа микросхем осуществляется в рамках отдельной фирмы), изучают рыночный спрос, а затем проектируют ASIC, исходя из «смягченных» требований. Данный подход позволяет наладить серийное, т.е. рентабельное производство микросхем. Проблема в том, что при таком подходе время выхода продукции на рынок зависит от плана и графика работы IDM-компании. Положение ее дел также осложняется конкуренцией.
Еще одной проблемой проектирования ASIC является то, что с момента появления проекта до его воплощения в опытные образцы требуется 1–1,5 года. Однако рынок диктует более жесткие требования к сроку выполнения заказа. Так, например, на создание потребительской электроники отводится всего лишь несколько месяцев, и любое опоздание грозит немалыми убытками. На быстро меняющемся рынке трудно предусмотреть и реализовать все те функции и возможности, которые будут востребованы, когда изделия покинут стены производства. Например, индустрия мобильной связи переходит в настоящее время с технологий третьего на четвертое поколение. 4G включает такие релизы стандартов как 8.0, 8.4, 8.6, 9.0 и т.д. За тот год, который потребуется на проектирование ASIC, появятся новые версии стандарта. Если готовые микросхемы не будут их поддерживать, заказчик упустит ту или иную возможность.
Более того, проектирование ASIC требует специальных навыков — например, умения программировать на уровне RTL (Register Transfer Level — уровень регистровых передач; описание работы синхронной цифровой схемы).

ПЛИС и универсальные процессоры сигналов (general-purpose signal processors, GPSP) не имеют некоторых недостатков, свойственных ASIC. Однако по мере того как электронные устройства становятся более портативными и мобильными, требования к их энергоэффективности ужесточаются. Кроме того, стоимость кристалла ПЛИС или GPSP слишком высока для массовых рынков. Поэтому некоторые поставщики ПЛИС предлагают интегрировать свои решения в ASIC. Несмотря на те преимущества, которые можно извлечь из такой интеграции, конечные устройства имеют бóльшие размеры и энергоемкость, чем заказная ASIC. Кроме того, это решение не исключает необходимости программирования на языке разработки аппаратного обеспечения. Бóльшая часть усилий инженеров, проектирующих ASIC с интегрированными в них ПЛИС, затрачивается на установку, трассировку и расчет времени, на которые могут потребоваться месяцы.
Такие микросхемы как недавно появившиеся на рынке структурированные ASIC позволяют изготавливать заказные микросхемы с помощью программируемых металлических слоев. Эти ИС обходятся дешевле из расчета на единицу продукции, однако они не обеспечивают тех параметров, включая энергопотребление и производительность, которыми характеризуются заказные ASIC-решения.

Идеальным решением могла бы стать реконфигурируемая платформа для оперативной проверки концепций проектирования и тестирования алгоритмов. Процессор этой платформы должен программироваться на языке высокого уровня. Такая платформа позволила бы программистам испытать в действии работу алгоритмов на действующем оборудовании, не прибегая к симуляции, которая, как правило, выполняется очень медленно.
Возможность перенастраивать систему позволила бы разработчикам идти в ногу с требованиями рынка и заказчиков, а также своевременно вносить изменения, которые не реализуются в ASIC. И эту возможность можно было бы относительно просто осуществлять с помощью перенастраиваемого процессора.
Поскольку полупроводниковая индустрия развивается в соответствии с законом Мура, растут и требования к обработке сигналов, что влечет за собой необходимость в использовании многих процессорных ядер. Поэтому платформа должна предусмотреть возможность непрерывного расширения своей архитектуры и модели программирования.
Наиболее важным требованием успешного участия полупроводниковой компании на рынке является возможность ее работы на одной платформе проектирования. В том случае, если спрос на конечном рынке и его объемы сокращаются, возникает необходимость в преобразовании перенастраиваемого проекта в заказную ASIC, что позволяет снизить стоимость, обеспечить максимальную производительность и энергоэффективность. Это преобразование должно быть сравнительно простым и не требовать создания RTL-кода по уже упоминавшимся причинам.
Поскольку спрос на рынке прогнозируется с трудом, такой подход позволяет избежать больших расходов на проектирование кристаллов и их производство до тех пор, пока не прояснится ситуация на рынке.

Традиционный метод разработки нового продукта заключается в выборе оборудования, а затем в написании соответствующей программы. Однако пришла пора новой методологии, которая позволила бы в первую очередь создавать приложения независимо от аппаратной реализации и задач комплексного проектирования ИС.
В новой методологии сначала обеспечивается соответствие функциональных характеристик требуемым, а затем решаются вопросы стоимости, энергопотребления и т.д. Программное обеспечение должно создаваться на хорошо знакомом языке высокого уровня, например С. Это позволит существенно упростить проектирование по сравнению со случаем RTL-кодирования, т.к. исключит необходимость в логическом синтезе, монтаже, трассировке и расчете временных характеристик.
Такое программное обеспечение представляет собой базовый код или конечный продукт, который сохраняется в неизменной форме на всех этапах, начиная с опытного образца и заканчивая производством. В стандартной же методологии сначала проектируется модель алгоритмов на языке С или Matlab, которая затем преобразуется в RTL-код, после чего он проверяется на наличие ошибок.
Программа выполняется в реальном времени, а на цикл отладки отводятся минуты, а не недели или месяцы. Благодаря этому сокращается время выхода изделий на рынок. Еще одним преимуществом написания программного обеспечения на языке высокого уровня является его портируемость. В результате ОЕМ-производитель не привязан к определенному поставщику и получает возможность самостоятельной реализации проекта с самого начала.
Наиболее важным преимуществом методологии разработки оборудования в последнюю очередь является то, что оно полностью соответствует разным этапам жизненного цикла изделия: производительность, энергоэффективность и стоимость аппаратного обеспечения в точности отвечают потребностям рынка.

Технологические процессы разработки зависят от целевого рынка. На рисунке 2 показаны основные этапы этого процесса для мелкосерийной продукции.
На этапе моделирования учитываются требования спецификации или заказчика, а также пишется программное обеспечение на языке высокого уровня. Это ПО компилируется и запускается на настраиваемом процессоре.

Рис. 2. Технологический процесс разработки мелкосерийной продукции с помощью перенастраиваемого аппаратного обеспечения

Если требования заказчика не меняются, изделие поставляется ему в готовом виде для испытаний и предварительной эксплуатации. После проведения полевых испытаний учитываются изменения в спецификации, дефекты ПО и запросы на изменения. Наконец, на этапе серийного производства изделие оснащается программным обеспечением, которое расширяет функционал устройства и обеспечивает его дифференциацию на рынке.
Основное отличие технологического процесса разработки крупносерийной от мелкосерийной продукции возникает на стадии производства: перенастраиваемые микросхемы преобразуются в заказные ASIC/СнК в соответствии с изменившимися требованиями к размеру, стоимости и энергопотреблению.
На данном этапе неиспользуемые в архитектуре кристалла каналы связи удаляются, после чего выполняется аппаратная реализация критически важных для повышения производительности связей устройства. Размер памяти и ее организация выбираются в соответствии с требованиями приложения. Система портов ввода-вывода оптимизируется по количеству выводов и размеру корпуса, а характеристики драйверов согласуются с нагрузкой. Для обеспечения расчетных характеристик синтезируется и аппаратно реализуется ядро процессора. В зависимости от приложения в систему интегрируются те или иные IP-блоки: микроконтроллеры, DRAM-память и аналоговые функции. Таким образом, создается базовый план кристалла, или ASIC.
Необходимо заметить, что часть процессора может быть защищена для возможности дальнейшего программирования, благодаря чему сохранятся все преимущества ASIC на случай изменения конфигурации системы.
Технология HyperX компании Coherent Logix во многом схожа с определением идеальной платформы для обработки сигнала. Единая аппаратно-программная архитектура HyperX обеспечивает перестраиваемость, высокую производительность, легкость программирования и малое время разработки коммерческих, промышленных систем и приложений для военно-космического сегмента рынка. Более того, эта технология характеризуется следующими преимуществами:
– сбалансированная связь и вычисления;
– высокая экономическая эффективность;
– реализация системы на одном кристалле;
– управление питанием на порядок эффективнее по сравнению с реализацией этой функции в современных процессорах;
– высокопроизводительная среда разработки «алгоритм — аппаратное обеспечение»;
– обновления в течение всего срока службы;
– масштабируемость характеристик в зависимости от стоимости изделия на рынке;
– понятный способ реализации заказного ASIC-решения.
Существуют и недостатки предлагаемого метода проектирования. Если объем человеко-часов, затраченный ОЕМ-производителями на разработку кода с помощью языка RTL достаточно велик, возможно, им непросто будет отказаться от унаследованной базы исходных текстов и начать освоение языка высокого уровня. На некоторых зрелых рынках, где требования к промышленным системам практически неизменны, а конечные объемы продукции значительны, проектирование целесообразно начинать с ASIC.
Однако большинство систем обработки сигнала требует изменения существующей отраслевой парадигмы. Необходима модель, в которой инновационные идеи могли бы незамедлительно воплощаться с помощью гибкой программируемой платформы, позволяющей быстро вывести продукт на рынок. Необходимо, чтобы в условиях высокого спроса была возможность реализовать проект в экономически очень эффективное, оптимизированное по энергопотреблению заказное решение. Перенастраиваемый процессор общего назначения, который легко трансформируется в реконфигурируемую ASIC, может стать инновационной платформой следующего поколения.