Dank der heutzutage aufkommenden Technologie-Nodes sind wir in der Lage, mehr als eine Billion Transistoren auf einem einzigen 300-mm-Wafer zu integrieren; das sind mehr Transistoren pro Wafer als es Sterne in unserer Milchstraße gibt. Bis zum Ende dieses Jahrzehnts sollte es möglich sein, mehr als eine Billion Transistoren auf einem einzigen Die zu platzieren, und zehn Billionen bis zum Ende des nächsten Jahrzehnts.

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Synopsys

Unsere Fähigkeit, immer mehr Bauteile auf der gleichen Fläche unterzubringen, schafft Möglichkeiten für atemberaubende Mengen funktionaler Integration: der Spitzen-DSP-Chip von gestern ist heute in einer Ecke eines Mobilfunk-Basisband-Chips zu finden – fast wie ein nachträglicher Einfall, umgeben von Funktionalität, die früher, als DSPs erfunden wurden, über mehrere Chips und Leiterplatten verteilt gewesen wäre.

Die EDA-Industrie spielt bei der fortschreitenden Integration eine entscheidende Rolle, indem sie Tools und Methoden entwickelt, die es den Entwicklern erlauben, riesige Mengen an Funktionalität zu kohärenten Designs zu organisieren, ihre Korrektheit zu verifizieren und sie anschließend in einem zunehmend komplexen physikalischen Kontext zu implementieren. Man kommt leicht zu der Annahme, dass es ausschließlich die fortschrittlichsten, in brandaktuellen Technologien gefertigten Designs sind, welche die modernsten Tools erfordern.

Für komplexe Chip-Layouts, hohe Verarbeitungsleistung, geringen Flächenbedarf bei niedriger Leistungsaufnahme und viele weitere Features sind fortschrittliche EDA-Tools erforderlich.

Für komplexe Chip-Layouts, hohe Verarbeitungsleistung, geringen Flächenbedarf bei niedriger Leistungsaufnahme und viele weitere Features sind fortschrittliche EDA-Tools erforderlich.Synopsys/Elmos (SNUG Germany 2014, 350 nm Mixed-Signal)

Immer am neuesten Technologie-Node?

Aber das ist nicht richtig, denn nur eine kleine und dazu noch abnehmende Zahl von Anwendungen erfüllt die ökonomischen Anforderungen, die den Einsatz neuester Technologien rechtfertigen. Allerdings gibt es eine Fülle von Möglichkeiten mit etablierten Technologien; es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, die nicht von den neu aufkommenden Technologien profitieren (werden), und die dennoch entwurfsbedingt fortschrittlich sind. Automotive ist ein solcher Bereich.

Die im Smartphone eingebauten Chips werden in 16- oder 14-nm-Prozessen gefertigt, aber die zunehmend hochentwickelte Motor- und Antriebssteuerung, die Federung, die Lenkung, das Bremssystem, Sicherheits-, Komfort- und Unterhaltungssysteme werden eher in etablierten Technologien gefertigt, beispielsweise bei 90 nm. In ihnen werden digitale, analoge und Mixed-Signal-Schaltkreise mit Embedded-SRAM, nichtflüchtigen Speichern und vielleicht sogar MEMS-Sensoren kombiniert. Die Chips werden all diese Funktionalitäten integrieren und dennoch die strengen Sicherheits-, Zuverlässigkeits-, Qualitäts-, Kosten- und Time-to-Market-Anforderungen des Automotive-Marktes erfüllen.

Ein Beispiel für ein EDA-Tool, das zu einer höheren Zuverlässigkeit führen kann, ist die Integritäts-Analyse und Widerstandas-Berechnung.

Ein Beispiel für ein EDA-Tool, das zu einer höheren Zuverlässigkeit führen kann, ist die Integritäts-Analyse und Widerstandas-Berechnung.Synopsys/IDM 2013 (130 nm Mixed-Signal)

In diesem Kontext ist es das Schaltungs-Design, nicht der Prozess, welches das größte Unterscheidungsmerkmal darstellt. Entwickler von Automotive-ICs haben denselben, oder vielleicht sogar einen größeren Bedarf, die modernsten EDA- und Entwurfstechniken einzusetzen, wie ihre Smartphone- und Tablet-IC-Kollegen.

Vor welchen Herausforderungen stehen Entwickler im Automotive-Bereich? Automotive-ICs sind nur selten einfache CMOS-ICs, und sie sind selten rein digital. Versorgungsspannungen können im Bereich von einem bis zu mehreren zehn Volt liegen. Betriebsbedingungen wie beispielsweise Vibration, Luftfeuchtigkeit und Temperatur sind extrem. Komplexe Layout-Anordnungen und Designhierarchien, in denen die digitale Funktionalität nicht länger die vorherrschende Problematik darstellt, verursachen Implementierungs- und Verifikationsprobleme. Und die resultierenden Chips dürfen nicht ausfallen, ohne dass die resultierenden Fehler ordentlich abgearbeitet werden.

Ein typischer hochentwickelter Automotive-Chip muss eine hohe Verarbeitungsleistung aufweisen, muss aber dennoch mit einer geringen Leistungsaufnahme auskommen, um nicht zu sehr zu der steigenden Belastung der Fahrzeugbatterie beizutragen. CMOS-Schaltkreise haben lediglich einen kleinen Anteil an der Chipfläche und sind häufig komplett umgeben von bipolaren analogen DMOS-Elementen, die mit höheren Spannungen arbeiten. Das Layout des Chips wird gewöhnlich von den Anforderungen der Analogfunktionen bestimmt, während die Digitalfunktionen dort untergebracht werden, wo Platz für sie bleibt. Dabei gilt es, Routing-Ressourcen auf dem Chip effizient zu nutzen. Und schließlich muss der Entwurfsprozess es ermöglichen, die digitalen, analogen und Mixed-Signal-Blöcke parallel zueinander zu entwickeln.

Tools

Wie helfen moderne Tools, den Automotive-Entwurf zu vereinfachen und die Qualität der Ergebnisse zu verbessern? In manchen Fällen können moderne Tools Designs realisierbar machen, die irgendwo zwischen „sehr schwierig“ und „unmöglich“ zu vollenden wären, wenn nur die Tools eingesetzt würden, die zu der Zeit verfügbar waren, als die Fertigungsprozesse konzipiert wurden, auf denen die Designs aufsetzen. So war beispielsweise die kürzlich fertiggestellte Realisierung eines 180-nm-Power-Controller-ICs für zwölf unterschiedliche Spannungspegel nur möglich, weil er mit Tools und Techniken entworfen wurde, die ursprünglich zur Senkung der Leistungsaufnahme in 65/45-nm-Mobilfunk-ICs entwickelt wurden.

Eckdaten

In manchen Fällen können moderne Tools Designs realisierbar machen, die irgendwo zwischen „sehr schwierig“ und „unmöglich“ zu vollenden wären, wenn nur die Tools eingesetzt würden, die zu der Zeit verfügbar waren, als die Fertigungsprozesse konzipiert wurden, auf denen die Designs aufsetzen. Es lohnt sich somit, auch für scheinbar alte Technologie-Nodes noch neue Tools zu entwickeln.

Ein weiteres Beispiel für das Herüberschwappen von Techniken für fortgeschrittene Technologie-Nodes: Als die Branche die 20-nm-Technologie erreichte, mussten die Chip-Designer die kritischsten Ebenen aufteilen, um sie mithilfe separater, weniger dichter Masken strukturieren zu können. Die Einführung der Double-Patterning-Lithographie erforderte Innovationen beim Routing, und diese Fortschritte ermöglichen nun viel dichtere Automotive-Implementierungen mit höherer Routing-Nutzung, weniger Routing-Ebenen und verstärkter Nutzung von Double-Vias zugunsten geringerer Kosten und erhöhter Zuverlässigkeit.

Auch die Tool-Integration macht es leichter, anspruchsvolle Automotive-ICs zu entwickeln. Wegen ihres komplexen Layouts ist es zum Beispiel schwierig, zuverlässige Power- und Ground-Netze für Automotive-ICs zu entwickeln. Die Möglichkeit, das Power- und Ground-Netzwerk im Detail zu analysieren, ohne den Haupt-Designflow zu verlassen, unterstützt die frühestmögliche Erkennung potenzieller Probleme.

Fortschrittliche Tools und Methoden helfen auch bei der Verifikation, wo komplexe Analog-, Digital-, Mixed-Signal- und sogar elektromechanische Funktionen für sich allein sowie in ihrem gemeinsamen Kontext hinsichtlich ihrer Funktionalität und ihres Einflusses auf Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen geprüft werden müssen. Automotive-Entwickler profitieren von modernen Verifikationstools, die einerseits exzellente Point-Tool-Fähigkeiten sowie eine besonders hohe Performance besitzen, und die sich andererseits in eine Gesamtvision für die Verifikation einfügen, die sich praktisch von der Designkonzeption bis hin zur detaillierten Schaltkreissimulation und zum Sign-Off erstreckt. Dieses Verifikationskontinuum zieht bei Bedarf so facettenreiche Tools wie Spice-Simulatoren, Formal-Checks und FPGA-Prototyping in einer konsistenten Umgebung zusammen.

Neu entstehende Technologie-Nodes haben immer schon fortschrittliche Tools erfordert, aber nachdem die Charakteristiken der führenden digitalen CMOS-Prozesse konvergieren, ist es klar, dass die Produkt-Differenzierung zunehmend durch den Entwurf entsteht. Jene Märkte, deren Chips auf etablierten Technologie-Nodes beruhen, wussten das schon immer und haben entsprechend gehandelt. Heute jedoch können Entwickler in diesen Bereichen die fortschrittlichsten Tools und Techniken einsetzen, um bessere Designs zu erzielen.