Podręcznik

2.6. Kolejne etapy – od pomysłu do produkcji

Gdy potrzebny jest specjalizowany układ scalony, postępujemy następująco:

1. Określamy sposób realizacji układu
Jeżeli układ jest cyfrowy, można rozważyć użycie układu programowalnego (FPGA). Może to być najlepsze rozwiązanie, jeśli potrzeba niewiele egzemplarzy układu, lub jeżeli zależy nam na bardzo szybkim uzyskaniu działającego układu. W polskich warunkach argumentem na rzecz układu programowalnego może być też łatwa dostępność oprogramowania służącego do projektowania i sprzętu służącego do programowania takich układów. Jednak układy programowalne są rozwiązaniem niekonkurencyjnym cenowo w przypadku sprzętu produkowanego w dużych seriach, a ich parametry techniczne (przede wszystkim szybkość) nie dorównują układom specjalizowanym zaprojektowanym do bezpośredniej realizacji w krzemie, o jakich tu opowiadamy. 

2. Wybieramy technologię dla projektowanego układu
Najpierw ze wszystkich dostępnych technologii wybieramy te, które pozwalają osiągnąć cel techniczny. Jeśli takich technologii jest kilka, kierujemy się względami ekonomicznymi. Będzie o tym mowa dalej, w punkcie 4.1.  Aby móc wybierać technologie, trzeba oczywiście wiedzieć, do jakich technologii możemy mieć dostęp i znać ich dane techniczne oraz ceny. Te informacje uzyskujemy bądź bezpośrednio od producenta, bądź (najczęściej) od instytucji pośredniczącej. Uzyskanie dostępu do danych technicznych charakteryzujących daną technologię wymaga podpisania umowy o poufności (w języku ang. Non-Disclosure Agreement), ponieważ zdecydowana większość producentów traktuje tego rodzaju dane jako poufne. Gdy korzystamy z instytucji pośredniczącej, umowę taką zwykle podpisujemy z tą instytucją. Dla polskich instytucji i firm nie ma tu żadnych barier ani ograniczeń, chociaż oczywiście każdy producent może zastrzec sobie prawo odmowy przekazania informacji poufnych.

3. Decydujemy, kto będzie projektował układ
Jeżeli dysponujemy odpowiednimi umiejętnościami i oprogramowaniem komputerowym, możemy to robić sami. Na świecie bardzo wiele firm produkujących sprzęt elektroniczny projektuje samodzielnie układy specjalizowane do tego sprzętu. W polskich warunkach pewną barierą może być koszt potrzebnego do tego oprogramowania. Projekt można zlecić wyspecjalizowanej firmie projektowej (w Polsce istnieje sporo takich firm, a oprócz nich projekty na zamówienie wykonuje także Instytut Technologii Elektronowej w Warszawie). Jeżeli nie planujemy częstego projektowania nowych układów, zlecenie projektu wyspecjalizowanej firmie może być najlepszym rozwiązaniem (ale i w tym przypadku potrzebna jest elementarna znajomość zagadnień projektowania, by mieć wspólny język z projektantami z firmy projektowej).

Dalsze kroki dotyczą przypadku, gdy projektujemy układ samodzielnie.

4. Wybieramy sposób, w jaki zostanie zaprojektowany układ
Istnieje szereg sposobów uproszczonego i zautomatyzowanego projektowania układów. Będą one omawiane dalej. Każdy z tych sposobów (zwanych także stylami projektowania) ma swoje zalety i wady. Wybór może zależeć także od tego, jakim oprogramowaniem komputerowym dysponujemy.

5. Zamawiamy wykonanie prototypu układu
W tym celu gotowy projekt wysyłamy do instytucji pośredniczącej lub bezpośrednio do producenta. Projekt wysyła się w postaci elektronicznej przez Internet. Równocześnie wysyła się zamówienie. W tym momencie określony jest przybliżony koszt prototypu. Jako prototyp otrzymuje się kilkadziesiąt (zwykle od 10 do 50) egzemplarzy układu w obudowach wybranego rodzaju, nie testowanych. Za dodatkową opłatą można zamówić testowanie - trzeba wówczas równocześnie z projektem układu przesłać program testowania. Można także za dodatkową opłatą otrzymać większą liczbę egzemplarzy układu, zamówić montaż w nietypowych obudowach itp. Instytucja lub firma, do której wysłany został projekt, weryfikuje jego formalną poprawność. Oznacza to zbadanie, czy projekt sporządzono zgodnie z wymaganiami producenta, przede wszystkim z t.zw. geometrycznymi i elektrycznymi regułami projektowania (w języku ang. Design Rules - będzie o nich mowa dalej). Nie jest weryfikowana funkcjonalna poprawność projektu. Za to, czy schemat układu jest poprawny i czy układ będzie poprawnie wykonywał swą funkcję, odpowiada wyłącznie projektant. W razie stwierdzenia, że wymagania producenta nie są spełnione, odsyłana jest lista stwierdzonych błędów (naruszeń reguł) w projekcie. Istnieje możliwość dostarczenia poprawionej wersji projektu, a specjaliści producenta lub instytucji pośredniczącej zwykle pomagają w poprawieniu błędów.  Na wyraźne życzenie projektanta może być przyjęty do produkcji układ naruszający niektóre reguły projektowania, jednak wówczas producent ostrzega, że układ najprawdopodobniej nie będzie działał prawidłowo.

6. Otrzymujemy prototypowy układ i badamy jego działanie
Prototypowe egzemplarze układu otrzymujemy zwykle po 3 - 5 miesiącach od wysłania projektu. W praktyce najniższa opłata za wykonanie prototypowych egzemplarzy niezbyt złożonego układu w taniej, mniej zaawansowanej technologii może wynosić kilka tysięcy EURO (za całość zamówienia, czyli kilkadziesiąt egzemplarzy), ale układy duże, wykonane w zaawansowanych, kosztownych technologiach mogą być oczywiście wielokrotnie droższe.

7. Jeśli układ prototypowy spełnia oczekiwania, a potrzeba więcej egzemplarzy, zamawiamy krótką serię lub produkcję masową. Można złożyć takie zamówienie bezpośrednio u producenta (zwykle tylko wtedy, gdy dotyczy ono produkcji w wielkiej serii) lub w instytucji pośredniczącej. Warunki (ceny, terminy) są w każdym przypadku indywidualnie negocjowane. Można uzyskać wcześniej (nawet jeszcze przed zamówieniem prototypu) wstępne oszacowanie kosztu układu w produkcji seryjnej, jeśli znane są podstawowe dane: technologia produkcji, rodzaj układu i jego wielkość, typ obudowy, wielkość serii itp. Pozwala to oszacować ekonomiczną celowość całego przedsięwzięcia. Cena jednego egzemplarza układu w produkcji seryjnej może się wahać w bardzo szerokich granicach, od ułamka EURO do kilkudziesięciu EURO, zależnie od rodzaju układu, a przede wszystkim od długości serii produkcyjnej.

W opisanym wyżej sposobie postępowania przy projektowaniu i zamawianiu specjalizowanych układów scalonych role pełnione przez projektanta i przez producenta są ściśle rozdzielone.  Projektanta nie interesuje, jak realizowane są operacje technologiczne, w wyniku których powstaje struktura scalona (choć oczywiście nie zaszkodzi, by miał pewną ogólną wiedzę na ten temat). Zadaniem projektanta jest dostarczenie producentowi projektu topografii układu, czyli mówiąc w uproszczeniu - rysunku wszystkich masek fotolitograficznych, które określają strukturę każdego elementu, jego położenie oraz sieć połączeń między elementami. Projekt topografii musi spełniać wymagania producenta zwane regułami projektowania. Producent sprawdza dostarczony projekt wyłącznie pod kątem zgodności z tymi regułami. Nie interesuje go ani funkcja układu, ani jego schemat logiczny i elektryczny. Innymi słowy: 

• projektant odpowiada za prawidłowość zdefiniowania funkcji układu, zaprojektowania jego schematu logicznego i elektrycznego oraz struktury fizycznej (czyli topografii), natomiast nie ma wpływu na proces wytwarzania układu (nie może na przykład zażądać wykonania tranzystorów o innych niż typowe parametrach),
• producent odpowiada za prawidłowość wykonania wszystkich operacji technologicznych i wytworzenie struktur półprzewodnikowych, które spełniają normy przewidziane dla danego procesu technologicznego, natomiast nie bierze na siebie żadnej odpowiedzialności za to, czy wytworzone według dostarczonych z zewnątrz projektów układy będą działały zgodnie z intencjami ich projektantów,
• testowanie układu należy do projektanta (lub użytkownika), a nie producenta.

Ten sposób organizacji projektowania i produkcji układów specjalizowanych („fabless design”) umożliwił powstanie firm wykonujących na zamówienie projekty układów, a nie dysponujących żadną własną bazą produkcyjną. Firmy takie istnieją także w Polsce.