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Optimiert ist nicht immer optimal

Automatisierung des Entwurfs analoger ICs – Teil 1

25. März 2019, 14:45 Uhr   |  Von Prof. Dr. Jürgen Scheible, Dr. Daniel Marolt, Matthias Schweikardt und Dr. Husni Habal

Automatisierung des Entwurfs analoger ICs – Teil 1
© fotografos | Shutterstock

Forschung, um die Handarbeit beim Entwurf von analogen ICs zu ersetzen.

Anders als Digital-ICs, die hochautomatisiert entworfen werden können, ist der Entwurf analoger ICs bis heute Handarbeit. Übliche auf Optimierung basierende Automatisierungsverfahren scheitern. In einem Forschungsprojekt wurden jetzt neue Ansätze zur Entwurfsautomatisierung analoger ICs abgeleitet.

Die große Mehrzahl moderner integrierter Schaltkreise (ICs) sind Mixed-Signal-ICs, bestehend aus analogen und digitalen Schaltungsteilen. Anders als die digitalen Schaltungsteile, die hochautomatisiert entworfen werden können, ist der Entwurf analoger integrierter Schaltungen bis heute aufwendige und fehlerträchtige Handarbeit, da die üblichen auf Optimierung basierenden Automatisierungsverfahren hieran regelmäßig scheitern. Obwohl die digitalen IC-Anteile stärker wachsen, dominiert der Analogentwurf zunehmend die Entwurfskosten und wird damit zum immer enger werdenden Flaschenhals der modernen Mikroelektronik.

Dieses Phänomen wird aktuell an der Hochschule Reutlingen untersucht, um hieraus neue Ansätze zur Entwurfsautomatisierung analoger integrierter Schaltungen abzuleiten.

Moores Gesetz – Faszination der Mikroelektronik

Die Steigerung der Integrationsdichte – Mooresches Gesetz – schreitet schneller voran als die Entwurfsproduktivität. Zwischen beiden Kennlinien öffnet sich eine »Entwurfsschere«
© Hochschule Reutlingen

Bild 1. Die Steigerung der Integrationsdichte – mooresches Gesetz – schreitet schneller voran als die Entwurfsproduktivität. Zwischen beiden Kennlinien öffnet sich eine »Entwurfsschere«.

Seit dem Erscheinen der ersten integrierten Schaltkreise Anfang der 1960er- Jahre entwickelt sich die Mikroelektronik bis heute in rasantem Tempo. Sie hat unser Leben schon in vielerlei Hinsicht massiv verändert und wird dies weiterhin tun: Digitalisierung, Industrie 4.0, Internet der Dinge – die Innovationswellen, so scheint es, werden immer mächtiger und kommen in immer kürzeren Abständen.

Möglich wird diese technische Evolution durch anhaltende Fortschritte in der Halbleitertechnik, die durch fortlaufende Miniaturisierung die Integration von immer mehr Funktionen auf einem Chip erlaubt.

Die obere Kurve in Bild 1 (linke Skala) zeigt das exponentielle Wachstum der auf einem Rechnerchip integrierten Bauteile, das als mooresches Gesetz weithin bekannt ist. Mit Strukturgrößen im Bereich weniger Nanometer können heute Chips mit über 10 Mrd. Transistoren hergestellt werden – sozusagen Rechnerfarmen im Daumennagel-Format.

Entwurfsautomatisierung und die Entwurfsschere

Bei aller Faszination für Hightech werden gerne zwei Dinge übersehen. Das erste ist, dass ICs nicht nur gefertigt, sondern auch entwickelt werden müssen. Im Fachgebiet der Entwurfsautomatisierung (Electronic Design Automation – EDA) werden daher massive Anstrengungen unternommen, den IC-Entwicklern immer leistungsfähigere Entwicklungswerkzeuge zur Verfügung zu stellen, um die explodierende Komplexität beherrschen zu können. Der Entwurf digitaler Schaltungen ist dadurch heute hochautomatisiert.

Die rote Kurve in Bild 1 zeigt die Entwurfsproduktivität – gemessen in Bauteilen pro Personenjahr – bei Digital-ICs (rechte Skala), die ebenfalls exponentiell gesteigert werden konnte, allerdings nur mit der halben Steigerungsrate des mooreschen Gesetzes. Hieraus ergibt sich die sogenannte »Entwurfsschere«. Diese hat zur Folge, dass sich der Entwicklungsaufwand für einen digitalen IC etwa alle 15 Jahre verzehnfacht.

Die analoge Entwurfsschere

Die zweite Sache, die bei den Diskussionen um die Digitalisierung oft kaum wahrgenommen wird, ist die Tatsache, dass elektronische Systeme auch noch analoge Schaltungsteile benötigen. Sie stellen die Schnittstellen zur Außenwelt her – insbesondere zur Umsetzung von Sensorsignalen, zur Ansteuerung von Leistungselektronik – und steuern die interne Energieversorgung. Die Kombination derartiger Analogteile mit digitaler Logik auf einem Chip ist längst zum Normalfall geworden.

Die große Mehrzahl heutiger ICs sind von diesem Typ, sog. Mixed-Signal-ICs. Kommen noch Leistungstransistoren dazu, spricht man von Smart-Power-ICs. Bild 1 zeigt die oben angesprochenen Kenngrößen für Smart-Power-ICs, die seit den 1990er- Jahren in BCD-Mischtechniken (Bipolar-CMOS-DMOS) z.B. für die Automobilelektronik hergestellt werden. Dieser Bereich der Halbleitertechnik ist bis heute eine Domäne der europäischen, insbesondere der deutschen Halbleiterindustrie.

Die Produktivitätslücke im Entwurf analoger integrierter Schaltungen – ein Flaschenhals der Mikroelektronik
© Hochschule Reutlingen

Bild 2. Die Produktivitätslücke im Entwurf analoger integrierter Schaltungen – ein Flaschenhals der Mikroelektronik.

Beim Blick auf die Entwurfsproduktivität wird das eigentliche Problem deutlich. Der Entwurf der digitalen Schaltungsteile läuft hochautomatisiert ab – hier stehen den IC-Entwicklern hochgezüchtete Automatismen des Digitalentwurfs zur Verfügung. Dagegen werden die analogen Schaltungsteile bis heute überwiegend manuell entworfen.

Dies führt zu dem in Bild 2 veranschaulichten Problem, dass in einem Mixed-Signal- bzw. Smart-Power-IC durchaus 90 % des Entwurfsaufwands in die analogen Schaltungsteile fließt – und dies obwohl diese Analogteile meist nur wenige Prozent der Bauelemente des ICs enthalten (blauer Doppelpfeil im Bild 1). D.h. die Produktivität des Analogentwurfs liegt um zwei bis drei Größenordnungen unter der des Digitalentwurfs (roter Doppelpfeil im Bild 1).

Der Analogentwurf ist damit der dominierende Kostenfaktor für Mixed-Signal-IC-Entwürfe. Dies stellt ein zentrales Problem der Mikroelektronik dar, das insbesondere für die deutsche Halb­leiterindustrie von Relevanz ist.

Die Dominanz des Analogentwurfs als Kostentreiber ist so stark, dass sich dieses Problem aufgrund des zunehmenden analogen Funktionsumfangs kontinuierlich verschärft, obwohl die digitalen Schaltungsanteile stärker anwachsen als die analogen. Hauptursache ist, dass auch die Produktivitätssteigerungen im Analogentwurf nicht mit dem Wachstum der integrierten analogen Funktionen Schritt halten können. Dieses etwa seit der Jahrtausendwende verstärkt spürbare Phänomen bezeichnen wir als die »analoge Entwurfsschere« (Bild 1).

Ziel der Arbeiten an der Hochschule Reutlingen ist es, neuartige Entwurfsverfahren für den Analog-IC-Entwurf zu erforschen und bereitzustellen, mit denen es gelingt, diese analoge Entwurfsschere wieder zu schließen.

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1. Automatisierung des Entwurfs analoger ICs – Teil 1
2. Das Dilemma von Optimierungsalgorithmen

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