2. Конспект лекций Лекция 1. Введение в методологию проектирования

Введение в методологию проектирования. Термины и определения. Маршруты проектирования «снизу вверх» и «сверху вниз». Методология проектирования SiP в Cadence. Понятие проекта, комплекты разработки (PDK)

Системы в корпусе (system in package – SiP) представляют собой модульные конструкции, в которых различные функциональные блоки реализованы в виде отдельных интегральных схем, объединённых в одном корпусе (рис. 2.1).

Примечание. Различают системы на плате (system on board – SoB, system on chip – SoC, и system in package – SiP).

Применение SiP является очередным этапом в повышении степени интеграции стандартных модулей электронных устройств. По-существу, в них используется старая идея гибридных микросхем, однако новые технологии принципиально изменяют методы изготовления таких приборов. Их использование дает преимущества по расширению функциональности и снижению объема, а также позволяет сократить цикл проектирования в целом.

Рис. 2.1. Система в корпусе

Отличительные особенности SiP:

- высокая степень интеграции без изменения топологических норм проектирования;

- технологическая «независимость» каждого из модулей – выполняются в отдельном цикле изготовления;

- высокая плотность межсоеденений;

- меньше времени на разработку и уменьшение совокупной стоимости проекта;

- широкое применение IP-модулей;

- гибкость аппаратных решений;

- интеграция в едином корпусе.

Классификация SiP

По виду интеграции модулей в корпусе:

- на печатной плате – аналогично SoB, но корпусированной в одном корпусе.

- корпус-на-корпусе (package-on-package PoP) – смонтированы этажеркой модули, межсоеденения осуществляются через корпусные выводы.

- корпус-к-корпусу (package-in-package PiP) – смонтированы этажеркой модули, межсоедения осуществляются по корпусу.

- этажеркой (Die stacking) – пирамидально смонтированные модули друг на друге, межсоеденения осуществляются по периферии.

- с переходными межкристальными отверстиями (3D/TSV – multiple die Through Silicon Vias) – межсоеденения – сквозные в топологии кристаллов.

По области применения: высокочастотные (RF) и смешанные (AMS).

Проектирование системы представляет собой творческую задачу и опирается на опыт разработчика.

Первоначальными исходными данными для разработки системы являются: перечень технических параметров (быстродействие, режимы эксплуатации, разрядности входных данных), формализованная задача, структурное описание, алгоритмы функционирования, необходимые интерфейсы, спецификация программного обеспечения. На основании этих данных разработчик формирует структурную схему проекта, определяет, какая часть алгоритма будет выполняться аппаратно, а какая – программно, какие интерфейсы необходимо разработать, какие должны быть сценарии моделирования.

Затем необходимо провести предварительную оценку быстродействия, потребляемой мощности и логической емкости проекта для декомпозиции проекта и выбора необходимых модулей с целью обеспечения требуемых в техническом задании характеристик.

После проведения такого анализа формируются спецификации проекта для разработчиков схем электрических, конструкторов SiP, программистов прикладного и системного программного обеспечения (ПО), специалистов по моделированию и верификации.

В спецификацию проекта для разработчика схемы электрической принципиальной включают следующие характеристики:

- тип модуля с указанием логического объема, градации быстродействия, типа корпуса;

- группы используемых выводов с указанием их функционального назначения;

- топологические характеристики, технологические требования;

- необходимость организации внешних интерфейсов и применения IP;

- требования к трактам обработки данных (например, требования к АЦП и ЦАП, необходимости внешнего ОЗУ, процессора ЦОС);

- требования к тактовой частоте (стабильность, форма сигнала);

- требования к системе питания (максимальный потребляемый ток по всем напряжениям, порядок включения).

Для конструкторов спецификация проекта включает следующие требования:

- тип модуля, с указанием типа корпуса;

- группы используемых выводов с указанием топологических требований к разводке сигналов;

- оценка потребляемой мощности для оценки температурного режима и разработки радиатора.

Для программистов прикладного и системного ПО указывают:

- алгоритм обработки данных в проекте с указанием, какая из частей будет реализована программным образом;

- тип процессора (сопроцессора), используемого в проекте. Отдельно указывается, реализуется ли он «аппаратно» или «проектно», или является «внешним»;

- алгоритм (протокол) взаимодействия между модулями и процессором, включающий в себя карту памяти, обслуживание прерываний, механизмы обмена данными;

- необходимость обслуживания (конфигурирования) специализированных интерфейсных микросхем;

- состав и функции прикладного ПО;

- тип операционной системы и необходимые ее функции, если планируется ее применение.

Специалисту по тестированию в спецификации указывают:

- алгоритм обработки данных с указанием, что реализуется с помощью ПО, а что – аппаратно;

- перечень интерфейсов и версий спецификаций, поддерживаемых проектом;

- алгоритмы и протоколы взаимодействия с ПО.

На основе полученных исходных данных параллельно разрабатывается проект, прикладное и системное ПО, схема электрическая принципиальная, топология печатной платы (для PoP и PiP) и конструкция корпуса, план верификации и набор тестов.

Маршрут проектирования SiP включает в себя:

- системное проектирование: декомпозиция проекта, моделирование на системной уровне, формирование спецификаций проекта и требований к модулям;

- проектирование составных модулей – формирование топологии;

- проектирование корпуса;

- 3D размещение и топологическую оптимизацию;

- физическую и функциональную верификацию;

- анализ перекрестных наводок и сигнальных искажений;

- термальный анализ;

- проектирование SiP.

Для каждого из этапов и типов SiP применяется свой маршрут проектирования, за исключением топологического проектирования. Пример САПР фирмы Cadence приведен в табл. 2.1.

Таблица 2.1

САПР в проектировании SiP

Этап	Задачи	САПР
Декомпозиция системы	Выбор решений и разделение модели системы на составные части, оценка целесообразности применения SiP	Chip Estimate, Encounter Digital Implementation System
3D планирование размещения и оптимизация	Оптимизация TSV, межсоедений, переходных отверстий	Encounter Digital Implementation System (EDI System), EtP - Encounter Power system (EPS), Encounter Timing System (ETS), Virtuoso, SiP, Encounter Test
3D размещение, мэппирование, трассировка	размещение, мэппирование, трассировка
Экстракция паразитных параметров и верификация	Верификация, анализ перекрестных искажений.
3D термальный анализ	Анализ температурных режимов.
SiP проектирование (Co-Design)	Оптимизация кристаллов, межсоеденений, корпусов, печатных плат. Системное моделирование (chip/die/analog/RF)

Процесс проектирования SiP имеет мультидисциплинарный характер, т.е. требует использования подходов к проектированию из всего спектра электроники. Разработчики обязаны иметь определенные представления обо всех областях электроники, но они не обязаны быть экспертами в этих областях. Повторное использование IP-блоков и платформоориентированное проектирование позволяет исключить необходимость проектировщикам в освоении нехарактерных для них предметов. Тем не менее, от DFT (Design for Test — внедрение в проект тестовых структур) до разработки цифровой и аналоговой аппаратных частей, от верификации до системного проектирования, от разработки встраиваемого ПО до получения и интеграции IP-блоков, от выбора аппаратной части до анализа СБИС команда разработчиков, в целом, должна обладать достаточным объемом знаний.

Маршрут проектирования SiP. В настоящее время на смену традиционному ниспадающему («waterfall») типу проектирования приходит спиралевидная методология проектирования. В ниспадающей модели перед тем, как перейти к следующему этапу, должны быть завершены все проектные задачи на текущем этапе. В более реалистичной спиралевидной модели проектирование выполняется одновременно по 4-м направлениям: разработка ПО, разработка RTL-кода, логический синтез, физический синтез. При этом в процессе работы группы разработчиков обмениваются результатами проектирования. Например, при разработке архитектуры SiP может возникнуть необходимость в полной или частичной реализации какого-то определенного IP-блока, чтобы оценить его размеры, потребляемую мощность или производительность, по результатам такой оценки архитектура может быть частично или полностью модифицирована. Или, например, с помощью средств быстрого синтеза (логического и физического) можно сделать оценку всей архитектуры SiP. Подобная концепция быстрого прототипирования части проекта или всей SiP на архитектурном уровне является неотъемлемой частью всех современных маршрутов проектирования.