Разработка современной электроники с прицелом на...
TRANSCRIPT
Разработка современной электроники с прицелом на массовый выпуск.Как? На чём? Почём?Семинар 2. На чём?Выбор комплектующих и связанные с ним вопросы.
Цикл семинаров
• 1. "Как?"
Основные вопросы организации. Риски. Типовые ошибки и заблуждения.
• 2. "На чём?"
Выбор комплектующих и связанные с ним вопросы.
• 3. "Почём?"
Экономические вопросы на всех этапах жизненного цикла электронного изделия.
Семинар 2."На чём?"Выбор комплектующих и связанные с ним вопросы.
• Краткое содержание• Представление
• Введение
• Комплектующие, о которых стоит и не стоит беспокоиться
• Дьявол – в деталях
• Корпуса, температурные диапазоны, внешние воздействия
• Заглянуть за горизонт проекта
• Риски, которые вносит этап выбора элементной базы
• Почему комплектующие второй свежести лучше?
• Программно-управляемые ИС, Программируемые Логические ИС, Системы на кристалле
• Закажу свой кристалл... Специализированные ИС (ASIC)
• Аппаратно-программные платформы для быстрой апробации «идеи» (Arduino, Raspberry и другие)
• Запад, Восток, Родина? Мировой гигант или Неизвестный карлик?
• Почему они молчат? Почему они имитируют сотрудничество?
• Выбрал. Что теперь?
• Глоссарий
Представление…
• Антон Востриков
• ASK Lab (ООО "АСК Лаборатория"), www.ask-lab.com
• Генеральный директор, соучредитель
• Доцент кафедры Вычислительных машин и сетей ГУАП
• Зам. руководителя Лаборатории Информационно-Управляющих систем НИУ ИТМО
• Более 15 лет:
• разработка, производство аппаратно-программных систем, комплексов;
• создание изделий электроники на основе самой современной элементной базы;
• Разработка ПО;
• Разработка и производство СТС (лицензия ФСБ);
• Подготовка массового производства;
• Менеджмент и сопровождение массового производства.
• ASK Lab - партнёр Центра прототипированияТехнопарка Санкт-Петербурга
ВведениеА нужен ли целый семинар ради «деталек»?
• Российские разработчики в незавидном положении:
• 99% комплектующих и материалов для современной электроники –зарубежный продукт;
• При общении у разработчиков из развивающихся стран более низкий приоритет, чем у представителей стран развитого капитализма (хорошо заметно при общении, например, от имени западной компании).
• Разработка фактически только рождает продукт, но его рост и развитие с возвратом вложений будет после окончания разработки.
Внимание к деталям вознаграждается великими открытиями.(с) М. Келдыш
ВведениеСтоимость риска на этапе выбора комплектующих
• Стоимость риска меняется от этапа к этапу. До перехода к массовому производству как правило уменьшается, при приближении – вновь увеличивается. Среди этапов разработки риск неверного выбор электронных комплектующих самый дорогой.
• Выбор комплектующих
• Разработка схем электрических
• Разработка печатных плат и конструкций
• Выбор массового производства
• Адаптация к массовому производству
• Подготовка и запуск массового производства
• Массовое производство как таковое
Стоимость риска
Этап
ы
Введение, повторим пройденное.Общие особенности разработки под MP
• Если не прицеливаемся на MP, а создаём единицы, десятки (иногда – сотни) единиц продукта, то доля разработки в структуре цены будет составлять существенную часть.
• Если прицеливаемся на MP, то не думаем:
• Об оптимизации себестоимости;
• Будут ли доступны комплектующие, когда мы закончим разработку;
• Какое время они будут доступны на рынке;
• Технологичны ли наши аппаратные решения для массового рынка;
• О технологической оснастке для производства, тестирования и контроля качества.
• Какую партию считать «массовой»?
• Если беспокоит более одного вопроса из вышеупомянутых, значит, это «MP».
Введение, повторим пройденноеСовременные аппаратно-программные решения
• В чём "СОВРЕМЕННОСТЬ"
• Высокая степень интеграции;
• Миниатюризация;
• Сокращение энергопотребления;
• Использование распространенных интерфейсов;
• Применение "молодых" технологий.
• За счёт чего:
• Объединение на одном кристалле (SoC);
• Многослойные печатные платы (rigid PCB), гибкие (flex. PCB) и гибко-жесткие (rig.-flex. PCB), на алюминиевой основе (см. изображения далее);
• Монтаж высокой степени интеграции (High Density Interconnection – HDI).
ВведениеЭтапы, касающиеся выбора комплектующих
Исследование рынка комплектующих, выбор
Приобретение оценочного
оборудования
Разработка и производство
собственной оценочной платы (СОП)
Проверка схемотехнических и
программных решений (на макетах или СОП)
Разработка «габаритных» модулей
Производство «габаритных» модулей
(желательно на целевом предприятии)
Сборка и проверка прототипа в сборе
Выбор производства, согласование условий
Согласование замен, организационных
деталей производства
Согласование технических вопросов MP, создание оснастки
Комплектующие, о которых стоит и не стоит беспокоиться
• Пассивные комплектующие типа «Резисторы» и «Конденсаторы» зачастую занимают по номенклатуре до 60-80% от общего количества различных позиций в Спецификации (BOM).
• Данные типы комплектующих производятся многими производителями, поэтому с точки зрения оптимизации имеет смысл варьировать, указывая только основные данные номинала.
• Для керамических SMD-конденсаторов: номинал, напряжение пробоя, тип диэлектрика, тип корпуса;
• Для SMD-резисторов: номинал, точность, тип корпуса.
• Но (!) всё же насчёт пассивных комплектующих в ответственных цепях электрической схемы имеет смысл придерживаться конкретного наименования конкретного производителя, выбранного на основании информации из его описания (Datasheet).
• Например, некоторые характеристики керамических SMD-конденсаторов от производителя к производителю имеют различные зависимости. Например, C=f(U)
Дьявол в деталях
• На что обратить внимание при поиске комплектующих:
• Status (текущий этап жизненного цикла)
• Lifetime (планируемая длительность выпуска)
• Функциональность (что должно делать)
• Значения технических параметров (соответствие характеристик задаче)
• Исполнение (корпус)
• Температурный диапазон
• Устойчивость к прочим воздействиям (если есть требования)
• Примечание:
• в отношении «компонентов», в том числе электронных, англоязычный термин: «part(s)»;
• но! «Спецификация» , «Перечень» – «Bill Of Materials» («BOM»).
The Devil is in the details.(англ. пословица)
Корпуса электронных комплектующих
• Штыревые (through-hole)
• Планарные или Поверхностно монтируемые (SMD (SMT)
Surface Mounted Devices (Technologies) )
• С выводами (SMD, SOIC, …)
• С контактными площадками на корпусе (QFN, DFN, …)
• С выводами в виде шариков (BGA)
• Различная «экзотика»
• Кристаллы
Температурные диапазоны эксплуатации
• Устоявшееся разделение (точное значение границ иногда «плавает»):
• Коммерческий (commercial) 0…+70 C
• Промышленный (industrial) -40…+85 C
• Автомобильный (automotive) -40…+125 C
• Военный (military) -55…+125 C• Прим.: кроме этого, следует понимать, что ИС для ответственных применений – Automotive и
Military – проходят максимальное возможное количество тестов и, следовательно, процент брака для них сведён к абсолютному минимуму.
• Означает ли, что комплектующее из более «дешёвого» диапазона не будет работать в более «дорогом»?
• Нет, не означает. Лишь известно, что ИС с обозначением «commercial» не проходили тесты для «industrial» и «automotive».
• + Повышенная температура ускоряет деградацию полупроводников, что ведёт к уменьшению вероятностной характеристики: «наработка на отказ».
Устойчивость к прочим внешним воздействиям
• Влажность и пыль
• Сами корпуса комплектующих герметичны. Но смонтированные модули для соответствующих условий эксплуатации должны быть защищены от влаги и пыли (пыле-, влагозащищенные корпуса и/или влагозащитное покрытие электронных модулей).
• Механические воздействия
• Большей вероятностью является повреждение соединения элемента с печатной платой или элементами конструкции, чем влияние на сам корпус. При необходимости используются дополнительные клеевые точки крепления и покрытия, увеличивающие прочность соединения.
• Электромагнитное излучение (ЭМИ)
• Влияющее воздействие ЭМИ на сами комплектующие маловероятно из-за малых геометрических размеров проводящих частей. Более вероятно воздействие на электронные блоки и кабели.
• Ионизирующие излучения (радиация)
• Комплектующие, способные функционировать в условиях определенных уровней ионизирующего излучения, стоят особняком от прочих даже самых устойчивых к прочим воздействиям комплектующих. Защита выполняется не только и не столько с помощью материалов, сколько с помощью высоконадежных и робастных архитектур.
• + специфическая для некоторых областей экзотика:
• соляной туман, плесневые грибы, динамическая пыль, газовые среды, …
Заглянуть за горизонт проекта
• Повторимся: Разработка фактически только рождает продукт, но его рост и развитие с возвратом вложений будет после окончания разработки.
• Значит, при разработке нужно всё время заглядывать за горизонт этого процесса.
• Проект по разработке должен обеспечить:
• Производство первой массовой партии продукта (всегда);
• Производство последующих партий продукта в течение заданного периода (оценить длительность необходимости повторного производства);
• Возможность осуществления гарантийного/пост-гарантийного ремонта (может потребоваться замена комплектующих).
Там. За горизонтом…
• Помимо прочего (см. Семинар №1) необходимо контролировать Status ключевых комплектующих:
• Сайт производителя (более актуально для гигантов). Каждое комплектующее имеет свой актуальный статус. Сигнал, если статус комплектующего переведён из «Производится» («Active», «Production», …) в «Не рекомендовано для новых разработок» («Not recommended for new designs», …);
• Регулярными (3-4 раза в год) запросами к производителю или дистрибьютору о текущем статусе продукта и планах по его выпуску на ближайшие полгода.
• Что если получен сигнал о прекращении производства комплектующего?
• Запрос к производителю или, чаще, к дистрибьютору или просто локальному поставщику о создании пула (складского запаса) комплектующего с обязательствами его выкупа в течение планируемого срока выпуска продукции.
• Как правило, они с удовольствием идут на подобный акт кооперации.
Риски, которые вносит выбор и приобретение элементной базы
1. Упомянутая выше недостаточная длительность воспроизводства компонента.
2. Низкое качество документации.
3. Отсутствие/недостаточная тех. поддержка.
4. «Сырость» комплектующего, как разработки.
5. Нестабильное качество, большой процент брака (встречается в РФ).
6. Неоригинальные комплектующие (подделка).
7. «Старые» комплектующие (с давним сроком производства).
8. «Пустые корпуса» …и такое тоже бывает (непридуманная история).
Почему комплектующие второй свежести лучше?
• Риски в пунктах 1, 2, 3, 5 (пред. слайд) управляются путём корректного выбора и контроля производителя и конкретного комплектующего.
• Риски в пунктах 5, 7, 8 (пред. слайд) управляются путём корректного выбора поставщика (дистрибьютора) – лучше эти риски юридически отдать поставщику или контрактному производителю, если он комплектует сам.
• РИСК №4 – коварен.
• Кажется разумным применять именно самые «свежие» ИС и прочие комплектующие, появляющиеся на рынке.
• Но! В этом случае есть вероятность, что разработчики будут выступать в роли бесплатных тестировщиков => масса впустую потраченного времени.
• Пример: семейство DSP BlackFin от Analog Devices – когда начались продажи, практически сразу был выпущен документ «Erratа»: 30 страниц по 2-3 обнаруженной ошибки на кристалле на каждой с предложениями по их «обходу».
• К счастью это касается, как правило, только революционных и сложных новинок
Способы проектирования вычислительной основы
• «Жесткая логика»
• Программно-управляемые ИС
• Программируемые логические ИС
• Системы-на-Кристалле
• Готовые модули
Способы проектирования вычислительной основы
«Жесткая логика»
• Исторически первый и устаревший подход.
• Означает проектирование на основе дискретный чипов, содержащих лишь несколько логических элементов, триггеров, регистров, элементы процессорных ядер.
• (+) – относительно высокое быстродействие.
• (-) – большое потребление, габариты, масса.
• (-) – невозможность изменить логику работы и прочее без изменения аппаратной части.
• Примечание: элементы "жесткой логики" до сих пор активно используются в современных миниатюрных корпусах, как вспомогательные элементы.
Способы проектирования вычислительной основы
Программно-управляемые ИС
• Микропроцессоры (вычислительное ядро, требующее много чего вокруг);
• Микроконтроллеры (однокристальные реализации компьютеров в большом количестве вариаций возможностей);
• (-) – реализация алгоритма подразумевает последовательность действий =>ограничения по быстродействию;
• (+) – простая реализация алгоритмов (очень важное преимущество);
• (+) – возможность оперативного изменения кода и "обновления", "перепрошивки".
Способы проектирования вычислительной основы
Программируемые логические ИС
• ПЛИС (PLD – Programmable Logic Devices: CPLD – Complex PLD, FPGA – Field Programmable Gate Array).
• По сути неограниченные возможности по реализации логических функций, автоматов, блоков цифровой обработки сигналов.
• Все производители ПЛИС сегодня активно двигаются в сторону Систем-на-Кристале, в частности, оснащая кристаллы готовыми аппаратными ядрами процессоров.
Способы проектирования вычислительной основы
Системы-на-Кристалле (СнК)
• Системы-На-Кристалле (СнК) = Systems-On-Chip (SOC).
• Некоторый вариант реализации специализированных ИС (ASIC) для широкого спектра применений (хотя понятия противоречащие друг другу).
• Объединяют вычислительные ядра (микропроцессоры), специфические периферийные модули (кодеки, криптографические преобразователи, радиочастотные модули, ПЛИС…)
• (-) – избыточная для конкретной реализации аппаратная основа;
• (+) – минимизация количества разрозненных ИС на плате;
• (+) – сокращение потребления, габаритов, массы, вероятности брака при монтаже…
Способы проектирования вычислительной основы
Готовые модули
• На рынке присустствуют готовые электронные модули, создающие необходимый набор вычислительных возможностей, периферии, интерфейсов (один из вариантов – т.н. "Промышленные компьютеры").
• (-) – избыточное решение во всех смыслах для конкретной реализации продукта;
• (-) – Lifetime обычно короче, чем у самих ИС, на основе которых они сделаны;
• (+) – Все наиболее высокотехнологичные реализации аппаратуры в продукте будут на готовых проверенных модулях.
Закажу свой кристалл... Специализированные ИС (ASIC).
• Т.е. это такие ИС, которые объединяют на кристалле ровно те модули и возможности, которые нужны именно в этом продукте.
• Применение специализированных ИС (ASIC – Application Specific Integrated Circuit) позволяет получать наименьшую себестоимость единицы продукта …если не принимать в расчет затраты на создание ASIC.
• Если принимать в расчет затраты на создание ASIC, то окупаемость партии продукта возможна лишь при невероятно большом объеме партии (можно говорить о границе в сотни тысяч экземпляров).
• Иллюстрация (для технологии 40нм; ASIC – видеокодек с ARM-процессором):
• ~1 M$ (приобретение IP) + ~0.2 M$ (разработка, одна итерация) + ~1.5 M$ (mask set production) + ~0.02 M$ (производство образцов) = ~2.72 M$ (результат – образцы)
• + возможно отчисление роялти за IP – $10-$20 за каждый произведенный чип.
Аппаратно-программные платформы для быстрой апробации «идеи»
• Arduino, Raspberry и другие…
• Создана и активно развивается целая индустрия аппаратно-программных платформ и периферийных модулей, поддержанных большим числом производителей.
• В том числе в эту работу активно включились многие производители комплектующих, создавая оценочные модули, совместимые с Arduino, Raspberry, …
• (-) – чрезвычайно избыточны для применения в конечных продуктах;
• (+) – ОТЛИЧНЫЙ ВАРИАНТ для проверки идей, вариантов реализации, проверки конкретных комплектующих.
• ( ! Ждём доп. семинары и практикумы от Центра Прототипирования ! )
Выбор производителя комплектующих.Мировой гигант или Неизвестный карлик?
• Производителей можно условно разделить на три категории:
• Работающих на широкий рынок (иногда называют «стоковыми» (от «stock» - склад), поскольку поддерживают складские запасы продукции)
• Это почти всегда гиганты, как правило с очень широкой номенклатурой, мощной тех. поддержкой, активными каналами дистрибуции и продвижения
• Altera, Analog Devices, Microchip, Texas Instruments, NXP Semiconductors, …
• Делающих продукты в одном направлении для широкого рынка, зачастую уникальные
• Относительно небольшие компании, всегда «фаблесс» (fab[rication] и -less — «бесфабричная»), заключают дилерские соглашения в регионах интереса, активно общаются и неплохо поддерживают продукты сами или через дилеров; либо погибают, либо поглощаются
• Ubicom (Scenix), VIIMagic, Mobilygen, Whiznets, …
• Делающих однотипные уникальные продукты под супер-массовые серии гигантов
• Гиганты со значительным портфелем патентов; работают исключительно на массовый выпуск, поэтому выпускают чипы партиями под заказ (серии десятки (от 50) и сотни тысяч)
• Broadcomm, Qualcomm, Mediatek, …
• + интересные бизнес-модели некоторых компаний• Ambarella
Выбор производителя комплектующих.Запад, Восток, Родина?
• Запад – фаблесс-производители уникальных комплектующих под своими патентами и стоковые гиганты (производящие преимущественно тоже не на Западе).
• (+) отличная документация и поддержка, доступность комплектующих.
• Восток – производственная Мекка (по причине чего нередки поддельные партии по ворованным шаблонам); однако «авторские» комплектующие –пока редкость на мировом рынке.
• (-) очень слабая документация, программно-аппаратная поддержка.
• Родина …почти ничего
• (-) очень слабая документация, программно-аппаратная поддержка, низкий процент выхода годных;
• Процессор «Эльбрус» - действительно значительная, заметная, отечественная вершина, но вокруг неё пока только заграничные горные цепи.
Выбор производителя комплектующих.Щекотливые вопросы…
• Есть класс комплектующих, запрещенных к вывозу из стран-производителей вовсе (передовые вещи для военных, космоса).
• Многие передовые комплектующие могут использоваться в изделиях военно-технического применения. Поэтому разрешать их экспорт не в интересах государства-производителя.
• С другой стороны, политика – это «концентрированная экономика», экспорт –источник доходов.
• Поэтому традиционные запросы о направлении применения, названии проекта, объеме потребления и т.п. – это зачастую не просто маркетинг, а попытка определить возможное «двойное применение».
• Лукавить? Для образцов изделий – каждый решает сам… Но для планов производства (тем более MP) – это колоссальный риск остаться без комплектующих и даже стать объектом преследования по закону!
Выбор производителя комплектующих.Почему они молчат?
• Прим.: это когда налаживаем контакт с производителем напрямую; с дистрибьюторами обычно такого не бывает, торговля – их каждодневный труд и хлеб.
• Запрос очевидно указывает на несоответствие планов производства (потребления продукта) бизнес-модели производителя;
• Запрос из региона вне зоны интересов (в т.ч. с точки зрения военно-технической направленности);
• Данные комплектующие «закрыты» эксклюзивными контрактами с производителями оборудования (пример: видео-эндоскопия);
• Нужно учитывать:
• Актуальность контактов, по которым запрашиваем;
• Срок на ответ по общемировым негласным правилам – не более 3-х бизнес-дней;
• Возможно мы попали в праздничный период (например, «фестивали» на Востоке), не всегда включается автоответчик;
• Отсутствие ответа на повторный запрос в течение 3-х бизнес дней производителя – сигнал отсутствия интереса;
• Нередкая ситуация – развёрнутый ответ на первый запрос, а потом – тишина: вас изучили, получили дополнительную информацию и потеряли интерес.
Выбор производителя комплектующих.Почему они имитируют сотрудничество?
• Хорошо молчат …а если отговаривают от применения их продукции в своих разработках???
• Нонсенс?!?!?
• Оказывается, не «нонсенс», а «защита своих интересов в рамках закона»:
• Есть свои «Design House’ы», делящиеся прибылью от реализации продуктов;
• Есть договорные отношения с определенным кругом производителей электроники с использованием их комплектующих (договор определяет требование в потреблении N десятков тысяч ИС в год);
• Работа с более мелкими потребителями ИС – себе дороже (документация, поддержка, обучение);
• Почему просто не отказать, размахивая при этом оценочными комплектами???
• Потому что засудят за дискриминацию!!!
Выбор производителя комплектующих.Выбрал. Что теперь?
• Классический порядок
• Взаимодействие с дистрибьютором (производителем). Часто сначала: заполнение анкеты с информацией о проекте, объеме потребления и т.д.
• Получение документации;
• Получение образцов и демонстрационных/отладочных/оценочных наборов;
• Получение технической поддержки;
• Закупка.
• Варианты дистрибуции электронных комплектующих
• Крупные мировые дистрибьюторы (например, Silica)
• Каталоги (Digikey, ELFA, Farnell, RS Catalogue, …)
• Локальные дистрибьюторы и просто поставщики комплектующих (специализируются на электронике)
Некоторые рекомендации по составу BOMs
• Качество Спецификации (BOM) определяет скорость согласования при подготовке к Mass production, снижает риск ошибочных замен, упрощает контроль жизненного цикла комплектующих.
Глоссарий• ИС - Интегральная схема (микросхема);
• ПЛИС – Программируемая Логическая Интегральная Схема;
• СнК – Система-на-Кристалле;
• СОП – Собственная Отладочная Плата;
• ЭМИ – Электро-Магнитный Импульс (Излучение);
• ASIC – Application Specific Integrated Circuits –специализированные ИС;
• BGA – Ball Grid Array – тип корпусов ИС с шариковыми выводами;
• CPLD – Complex PLD (тип ПЛИС);
• Design House – одно из названий компаний контрактной разработки электроники;
• Errata – тип документов, выпускаемых производителем ИС, с информацией об обнаруженных в кристалле ошибках и способах их «обхода»;
• Fabless (фаблесс) – fab[rication] и –less – «бесфабричная» - тип компаний не обладающих собственным производством, отдающих выполнение задач по производству сторонним организациям;
• FPGA – Field Programmable Gate Array – программируемая логическая интегральная схема;
• HDI – High Density Interconnection – Высокая плотность связей (в отношении печатных плат);
• IP – Intellectual Property – Интеллектуальная собственность (здесь в отношении законченных блоков для применения в разработках ИС);
• MP – Mass Production – массовое производство;
• Mock-Up – здесь «действующий прототип», иногда только корпус действующего прототипа;
• Model – макет, модель;
• PCB – Printed Circuit Board – печатная плата;
• PCBA - Printed Circuit Board Assembled – смонтированная печатная плата (электронный модуль);
• SoC – System-On-Chip – Система на кристалле;
• SMD (SMT) – Surface Mounting Devices (Technologies) –поверхностно монтируемые устройства (технологии поверхностного монтажа) – тип корпусов ИС (с планарными выводами).
