{"id":929,"date":"2011-01-26T16:47:52","date_gmt":"2011-01-26T15:47:52","guid":{"rendered":"http:\/\/www.fachzeitungen.de\/fachbeitraege\/?p=929"},"modified":"2014-06-30T12:21:39","modified_gmt":"2014-06-30T11:21:39","slug":"entwicklung-eines-asics-fuer-ein-haushaltsgeraet-zielfuehrend-und-rentabel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.fachzeitungen.de\/fachbeitraege\/entwicklung-eines-asics-fuer-ein-haushaltsgeraet-zielfuehrend-und-rentabel-10929\/","title":{"rendered":"Entwicklung eines ASICs f\u00fcr ein Haushaltsger\u00e4t zielf\u00fchrend und rentabel"},"content":{"rendered":"
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Die Entwicklung eines ASICs (\u201eapplication specific integrated circuit\u201c) als Kern eines Haushaltsger\u00e4tes bietet nach wie vor gro\u00dfe Vorteile. Voraussetzung ist die Produktion gro\u00dfer St\u00fcckzahlen, die Integration passender Funktionen und die genaue Planung und Durchf\u00fchrung der Entwicklung. Sinkende Preise und h\u00f6here Rechenleistung lie\u00dfen alternative L\u00f6sungen wie Mikrokontroller oder FPGA in den letzten Jahren zu einer immer gr\u00f6\u00dferen Konkurrenz werden. Andererseits stehen f\u00fcr die erfolgreiche ASIC-Entwicklung eine Vielzahl von Fertigungsprozessen und Bibliotheken zur Verf\u00fcgung, die selbst wiederum Mikroprozessorkerne oder FPGAs enthalten. Ob und wann die Entwicklung eines ASICs f\u00fcr ein Haushaltsger\u00e4t zielf\u00fchrend und rentabel ist, zeigt dieser Artikel.
1. Einsatz von ASICs in den letzten Jahren
Die ersten Chips mit integrierten Schaltungen entstanden in den 70er- und 80er Jahren in Forschungslaboren. Sie bestanden aus wenigen Bauteilen und waren von geringer Komplexit\u00e4t.
Die Integrationsdichte wuchs jedoch rasant. Gordon Moore, ein Mitbegr\u00fcnder von Intel postulierte in seiner als Mooresches Gesetz bekannten These bereits in den 70er Jahren, dass sich die Komplexit\u00e4t von Speicherchips alle zwei Jahre verdoppeln werde. Heute sind mehrere 100 Millionen Bauteile in einer integrierten Schaltung enthalten.
Gerade in der Komfortelektronik, wie etwa bei Haushaltsger\u00e4ten (Waschmaschinen, K\u00fcchenger\u00e4ten, Waagen etc.), und in der Konsumg\u00fcterelektronik (z.B. Handys, MP3 Player etc.) hat der Einsatz von ASICs gro\u00dfe Bedeutung.
Steigende Funktionalit\u00e4t bei immer kleiner werdenden Endger\u00e4ten und hohem Druck auf die Produktkosten zwangen die Design-H\u00e4user ASICs einzusetzen. Als eine Art \u201eGegenbewegung\u201c hat sich der Einsatz von Mikrokontrollern bei Haushaltsger\u00e4ten etabliert: sie erlauben es, eine Vielzahl von Funktionen in Form von Software zu realisieren.
2. ASIC versus \u00b5C
Die Lebenszyklen von Haushaltsger\u00e4ten werden immer k\u00fcrzer und die Entwicklung neuer Produkte findet daher in der Regel unter hohem Zeitdruck statt. Funktionale \u00c4nderungsw\u00fcnsche werden oft bis kurz vor Produktfreigabe in die Projekte eingebracht. Die hohe Konkurrenz zwischen den Anbietern setzt aber auch die Herstellkosten unter Druck.
Unter diesen Bedingungen scheint eine Flash-Mikroprozessor-Architektur bestens geeignet, eine flexible Entwicklung sicher zu stellen: Praktisch bis zur letzten Minute k\u00f6nnen Software-\u00c4nderungen durchgef\u00fchrt und eingespielt werden. Und auch die Hardware l\u00e4sst sich durch den Einsatz moderner Designtools relativ schnell \u00e4ndern.
Die angebotenen Prozessorfamilien sind in der Regel sehr flexibel. Der Wechsel zu einem leistungsst\u00e4rkeren Derivat, die Erh\u00f6hung\/Verringerung des internen Speichers oder die Erweiterung der digitale Ein-\/Ausgangsleitungen ist innerhalb der Familie praktisch ohne Aufwand m\u00f6glich.
Im Vergleich hierzu ist die ASIC-Entwicklung eher langwierig. Zwischen Definition und seriennahen Muster vergehen im Schnitt zw\u00f6lf bis vierundzwanzig Monate. Die Musterst\u00e4nde stehen verz\u00f6gert zur Verf\u00fcgung und haben am Anfang kleine-re oder gr\u00f6\u00dfere Fehler, die den Einsatz in einem realen System eingrenzen oder gar verhindern.
Insbesondere kann es schwierig bis unm\u00f6glich sein, mit der Definition eines ASICs zu starten, wenn sich die Entwicklung eines Produktes noch in einer sehr kreativen Phase befindet, gepr\u00e4gt von Machbarkeitsstudien und Grundlagenforschung.
F\u00fcr die ASIC-Entwicklung steht eine Vielzahl von Fertigungsprozessen zur Verf\u00fcgung. Bei der Wahl des passenden Prozesses hilft ein erfahrener Entwickler.
Kosten senken
Durch die Integration von analogen und digitalen Bauteilen in den ASIC lassen sich die Herstellkosten senken. Auch Mikrokontroller- oder FPGA-Kerne k\u00f6nnen eingesetzt werden, manchmal sogar lizenzfrei.
Selbst Hochvolttechnologien (z.B. f\u00fcr einen Schaltregler) sind m\u00f6glich. Ihre Integration kann jedoch schwierig sein und wird nicht von allen Foundries angeboten. Eine elegante L\u00f6sung des Problems: die Verwendung von Multi-Die ASICs, bei denen sich zwei Dies in einem .
Ein ASIC bietet so ziemlich alles, was auch bei einer diskreten L\u00f6sung m\u00f6glich w\u00e4re. Der Einsatz eines Mikrokontroller-Kerns mit Flash-Speicher erweitert das Spektrum: die Flexibilit\u00e4t ist mit derjenigen von \u00b5C-L\u00f6sungen vergleichbar und es besteht die M\u00f6glichkeit, in sehr sp\u00e4ten Projektphasen noch funktionale \u00c4nderungen in der Software vorzunehmen.
Die Integration des \u00b5C und weiterer Bauteile in den ASIC verringert auch die Leiterplattenfl\u00e4che. Dies kann bei vielen Projekten bereits der entscheidende Vorteil sein. Zus\u00e4tzlich senkt die Verringerung der Bauteilanzahl die Best\u00fcckkosten.
Der Kunde entscheidet
Weitere Vorteile des ASIC sind die grunds\u00e4tzlich kundenspezifische Ausf\u00fchrung und der bessere Kopierschutz. Im Wesentlichen k\u00f6nnen die Eigenschaften des Systems und die damit verbundene \u201eIntellectual Property\u201c besser als mit einer Mikrokontroller-L\u00f6sung gesch\u00fctzt werden. Ein vollst\u00e4ndiger Kopierschutz ist jedoch nicht wirklich zu erreichen, da ein \u201eReverse-Engineering\u201c mit den passenden technischen Mitteln immer m\u00f6glich ist.
Die ASIC-L\u00f6sung kann auch w\u00e4hrend des Projektes angepasst werden. Man kann mit einer FLASH-L\u00f6sung starten und dann zu einer ROM-L\u00f6sung wechseln. \u00c4hnliche M\u00f6glichkeiten stehen auch mit Mikrokontrollern zur Verf\u00fcgung, doch das Einsparpotential ist bei Verwendung eines ASICs h\u00f6her.
Durch geschicktes Design kann ein ASIC w\u00e4hrend der Entwicklung \u00e4u\u00dferst flexibel gestaltet werden: Zus\u00e4tzliche, nicht verwendete Bauteile lassen sich einbauen und mit einer neuen \u201eMetal-Mask\u201c (einer der oberen Masken) passend verdrahten und einsetzen. Allgemein kann das Design \u00fcber eine \u00c4nderung der \u201eMetal-Mask\u201c sehr gut angepasst werden. Die Kosten einer solchen \u00c4nderung sind nicht hoch und sie ist relativ schnell zu umzusetzen (i.R. innerhalb einiger Wochen).
Zur Optimierung der Ger\u00e4teentwicklung kann in der fr\u00fchen Phase das ASIC simuliert werden, sowohl auf Software- als auch auf Hardware-Ebene. Bis die ersten Muster vorhanden sind, kann mit einer Mikrokontroller- oder FPGA-Ersatzl\u00f6sung gearbeitet werden.
F\u00fcr die Entscheidung, ob ein ASIC die optimale L\u00f6sung ist, m\u00fcssen alle wichtigen Faktoren gegengerechnet werden:
\u2022Der Preis des ASIC gegen den Preis des \u00b5C oder FPGA
\u2022Anzahl und Preise von weiteren Bauteilen, die in den ASIC integriert
werden k\u00f6nnen
\u2022Leiterplattenfl\u00e4che f\u00fcr die Gesamtschaltung
\u2022Form und Kosten von eventuellen mechanischen Bauteilen
(Befestigungen, Geh\u00e4use)
\u2022Best\u00fcckungskosten
\u2022notwendige Flexibilit\u00e4t in der Entwicklung
Die nachfolgende Liste fasst zusammen, welche Vor- bzw. Nachteile sich durch den Einsatz eines ASICs gegen\u00fcber einer diskret aufgebauten Schaltung ergeben.
diskreter Aufbau
+ preisg\u00fcnstig bei St\u00fcckzahlen < 1 Mio.
+ skalierbar
+ flexibel , universal
+ leistungsf\u00e4hig
– h\u00f6here Anzahl an Bauteilen
– h\u00f6here Best\u00fcckungskosten
ASIC
+ kundenspezifische, optimierte L\u00f6sung
+ bietet m\u00f6glichen Kopierschutz
+ geringere Schaltungsgr\u00f6\u00dfe
+ niedrigere Anzahl an Bauteilen
+ niedrigere Best\u00fcckungskosten
+ erlaubt hohe Integrationsdichte
– zeitaufwendiger Entwicklungsprozess
– begrenzte Flexibilit\u00e4t bez\u00fcglich \u00c4nderungen
3. Netzwerk und Prozess
Bei der Entwicklung eines ASIC sind verschiedene Parteien mit unterschiedlichen Kompetenzen und Sichtweisen beteiligt.
Zun\u00e4chst spielt das Produktmarketing eine wichtige Rolle. Es stellt die Notwendigkeit eines neuen Ger\u00e4tes am Markt fest und erarbeitet die Eigenschaften der zu entwickelnden Einheit. Dies geschieht in der Regel in Zusammenarbeit mit einer Entwicklungsabteilung, die bestens \u00fcber die technischen M\u00f6glichkeiten informiert ist.
Die Entwicklungsabteilung (vielleicht handelt es sich um einen externen Dienstleister) stellt einen Projektleiter zur Verf\u00fcgung, der die systemische Sicht repr\u00e4sentiert. Er hat die Aufgabe, das Gesamtsystem genau zu spezifizieren und zu entwickeln. Die Elektronik ist in der Regel ein Subsystem der gesamten Entwicklung.
Auf ASIC-Ebene ist ein spezieller Entwickler involviert, der die Aufgabe hat, das Design zu definieren und durchzuf\u00fchren.
Die ASIC-Spezifikation kommt zuerst vom Projektleiter und wird mit dem ASIC-Entwickler abgestimmt und verfeinert. Der Projektleiter hat das Gesamtsystem im Blick, der Entwickler kennt die M\u00f6glichkeiten der Halbleitertechnologie. Aus dieser Interaktion sollte sich eine sinnvolle und g\u00fcnstige Definition des Bausteins ergeben.
In der Definitionsphase spielt auch die ausgew\u00e4hlte Foundry eine wesentliche Rolle. Sie stellt die Palette der Fertigungsprozesse zur Verf\u00fcgung. Es ist Aufgabe des ASIC-Entwicklers die passenden und f\u00fcr das Design g\u00fcnstigsten Prozesse zu w\u00e4hlen. Insbesondere spielt die Verf\u00fcgbarkeit eines Fertigungsprozesses eine gro\u00dfe Rolle, um die Herstellung des ASICs \u00fcber einen ausreichend langen Zeitraum sicherzustellen.
Startet die Entwicklung des Systems und des ASICs, sind verschiedene Elemente notwendig:
Systementwicklung und ASIC-Entwicklung m\u00fcssen gemeinsam an der Simulation des ASICs arbeiten, um das gew\u00fcnschte Ergebnis sicherzustellen. Normalerweise entwickelt sich in dieser Phase die Spezifikation und ein erstes Konzept entsteht.
Gleichzeitig ben\u00f6tigen die Spezialisten eine Hardware-Simulation des ASICs, um die Hardware und die Software des Ger\u00e4tes zu entwickeln.
Sind die ersten Muster vorhanden, m\u00fcssen sie sorgf\u00e4ltig validiert werden. Erst werden alle Sub-Einheiten und Funktionen separat und vollst\u00e4ndig verifiziert, anschlie\u00dfend ist ein systemischer Test des gesamten Ger\u00e4tes m\u00f6glich. Das Feedback vom Systementwickler ist schlie\u00dflich wesentlicher Bestandteil, um die n\u00e4chste Mustergeneration entwickeln zu k\u00f6nnen.
Oft haben die Muster ungewollte Fehler oder Einschr\u00e4nkungen. Sie gilt es zu finden und zu beheben. Mit einem guten ersten Wurf k\u00f6nnen in den folgenden Mustern durchaus nur kleine Anpassungen notwendig sein. Jedoch sollten zwei bis drei Musterst\u00e4nde in Kauf genommen werden.
W\u00e4hrend des Entwicklungsprozesses muss die Foundry gew\u00e4hrleisten, dass die Muster rechtzeitig und fehlerfrei produziert werden.
Der ASIC-Entwickler garantiert, dass keine wesentlichen Designfehler im ASIC zu finden sind.
Die systemische Ebene ist verantwortlich, logische Fehler fr\u00fchzeitig zu entdecken und zu beheben, die sonst erst zu einem sp\u00e4ten Zeitpunkt, beim Test im Gesamtsystem, erkannt werden.
4. Szenarien einer ASIC-Entwicklung
In Bezug auf eine ASIC-Entwicklung sind verschiedene Szenarien denkbar. Im Wesentlichen spielt hierbei die Informationslage zu Beginn des Projekts eine entscheidende Rolle.
Sind die St\u00fcckzahlen und das Gesch\u00e4ftsvolumen ausreichend hoch und hat man gen\u00fcgend Know-How und technische Zuversicht, kann man direkt mit einer ASIC-Entwicklung starten. Oft wird einfach die neue Generation einer bekannten Produktfamilie entwickelt (die n\u00e4chste elektronische Zahnb\u00fcrste, die n\u00e4chste Kaffeemaschine oder die n\u00e4chste K\u00fcchenmaschine). Dabei spielt die Marktposition eines Unternehmens und seine Informationslage eine entscheidende Rolle.
Eine zweite M\u00f6glichkeit besteht darin, die Entwicklung zun\u00e4chst mit einem normalen Mikrokontroller zu starten. Die ASIC-Entwicklung kann dann parallel durchgef\u00fchrt werden. Dabei sollte sichergestellt sein, dass der entwickelte Code \u00fcbernommen werden kann und das Mikrokontroller-System so nah wie m\u00f6glich an das ASIC-System heranreicht. Das ASIC kann dann in einer ersten Optimierungsrunde eingef\u00fchrt werden. Dieses Vorgehen ist hinsichtlich der Entwicklungskosten zwar teurer, bietet aber eine Backup-L\u00f6sung und minimiert deshalb die Risiken. Es ist daher f\u00fcr strategische Produkte, die strikte Termine f\u00fcr die Markteinf\u00fchrung haben, durchaus zu empfehlen.
Die dritte M\u00f6glichkeit ist, die Entwicklung eines ASIC als reines Kostensenkungsprojekt zu sehen, sofern die St\u00fcckzahlen dies rechtfertigen. D.h. die erste Version des Produkts wird in diesem Fall beispielsweise mit einem Mikrokontroller realisiert und so in den Markt eingef\u00fchrt. Das ASIC wird anschlie\u00dfend entwickelt, um die Kosten zu senken. Vorraussetzung f\u00fcr dieses Vorgehen ist eine ausreichend lange Zeit f\u00fcr den Verkauf des Produkts.
5. Fazit
Obwohl die Preise von Mikrokontroller und FPGA sinken, kann eine ASIC-Entwicklung durchaus die bessere L\u00f6sung sein. Die wesentlichen Entscheidungskriterien sind die Herstellkosten bei gegebenen St\u00fcckzahlen und der zur Verf\u00fcgung stehend Platz f\u00fcr die Schaltung. Vor- und Nachteile sind genau abzuw\u00e4gen, um sich f\u00fcr oder gegen die Entwicklung eines ASIC entscheiden zu k\u00f6nnen. In jedem Fall f\u00fchren eine strukturierte Entwicklung, ein professionelles Management der Anforderungen und eine reife Projektleitung schlie\u00dflich zum Erfolg.
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Helbling Technik GmbH
Hermann Schweizer
Gesch\u00e4ftsf\u00fchrer
Leonrodstrasse 52
D-80636 M\u00fcnchen
phone +49\/89\/45929-250
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www.helbling.de<\/a>
Literatur
[1] G. Hermann, D. M\u00fcller: ASIC – Entwurf und Test. Carl-Hanser-Verlag, 2004, ISBN 3-446-21709-6
[2] Golshan, K. (2007). Physical design essentials: an ASIC design implementation perspective. New York: Springer. ISBN 0-387-36642-3
Autoren:
-Guido Piai, Helbling Technik GmbH (bis April 2010), NTB Interstaatliche Hochschule f\u00fcr Technik Buchs (ab Mai 2010)
-Peter Traub, Helbling Technik GmbH
Helbling Technik GmbH
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Handelsregister: Amtsgericht M\u00fcnchen, HRB 116 562<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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