Analogt i digitalt eller analogt och digitalt Det finns många faktorer som påverkar valet av integrationsgrad. Här är några saker att tänka på: Kostnad När processgeometrierna sjunker ökar kostnaderna per ytenhet. Storleken på de digitala funktionerna minskar drastiskt. Analoga funktioner krymper däremot inte i samma takt - ibland kan de faktiskt bli större för att behålla prestanda. Slutsatsen är att kostnaden per digital funktion minskar medan den ökar per analog funktion när processgeometrin krymper. Kretsar som blandar digitalt och analogt kan också få betydligt lägre yield än rent digitala chips. Volym och flexibilitet Vid riktigt höga volymer är ofta en komplett systemlösning i en asic ett vettigt val. Den absoluta majoriteten av tillämpningar når dock aldrig de volymer som berättigar en sådan lösning. Då måste konstruktören välja högsta möjliga integrationsgrad och prestanda med tillgängliga kretsar och kundanpassa tilllämpningen med FPGAer eller andra programmerbara lösningar. Separerade delar kan även utnyttja fördelen av att uppdateras i olika takt. Utfall (yield) På stora digitala chips bör man undvika att integrera funktioner som är svåra att få bra yield på. Risken är att många stora dyra chips får slängas efter test. Spänningsmatning När processgeometrierna blir finare minskar spänningsnivån på chipset. Vanligtvis blir effektförbrukningen hos den digitala konstruktionen lägre. För högpresterande analoga kretsar förblir effektförbrukningen konstant. Lägre matning ger också ett mindre signalsving, vilket gör det svårt att behålla ett bra signalbrusförhållande. In- och utgångar Det är önskvärt att välja en lösning som minimerar antal förbindelser chips till chips - allt för att minska kapslingskostnad och spara kortyta. Gränssnittets bandbredd Överallt där det är möjligt bör man dela upp sina system så att gränssnittsbandbredden hålls på en modest nivå. En digital buss som körs i 500 MHz har större effektförluster och alstrar mer EMI än en som körs i 5 MHz. LVDS-teknik kan användas när gränssnittet ska klara över 200 MHz. LVDS ger bättre signalintegritet och lägre effektförbrukning än vanlig CMOS vid höga frekvenser.Visserligen dubbleras antalet in- och utgångar på grund av den differentiella naturen. Externa komponenter Smart integration handlar inte bara om hur man delar upp de digitala och analoga funktionerna man bör även tänka på annat som exempelvis kondensatorer, induktanser och SAW-filter. En god arkitektur och vettig uppdelning av systemet kan ofta reducera antalet externa komponenter, vilket ger en kompaktare lösning och lägre tillverkningskostnad. Analoga reflektioner 1 μm => högspänningsprodukter 250 nm => högpresterande analogt 130 nm => lågeffekt och högprestanda går isär < 70 nm => integration blir riktigt svårt! < 10 nm => Moore's lag, no more?

Hur ser framtiden ut när processgeometrierna krymper och spänningsmatningen sjunker? Kommer allt mer att läggas på samma chips? Eller måste analogt och digitalt återigen gå skilda vägar?

- Det är frågor som vi funderar mycket kring idag, säger David Robertson, produktansvarig för snabb AD- och DA-omvandling på Analog Devices.

Han skojar och säger "att tala med mig om detta är som att tala med en same om snö". En ofantlig mängd vinklingar är vad han ser.

- Men allt är möjligt. Det går att göra högpresterande analoga funktioner i 90 nm. Frågan är när och om det är kostnadseffektivt.

12 bitar blir bara 10

En huvudfråga för dagens konstruktörer är alltså inte vad de kan göra - utan vad de bör göra. Det handlar om att ta fram den minsta, effektsnålaste och effektivaste lösningen utan att produkten missar marknadsfönstret.

- Det är inte alls säkert att en enchipslösning är bästa sättet att nå detta mål. Det kan lika väl vara en trechipslösning.

- Numera finns det dessutom andra sätta att integrera än att lägga allt på samma chips. Ofta kan multichipsmoduler, staplade chips eller andra kompakta lösningar ge flexiblare lösningar, säger David Robertson.

Det som ställt integrationsfrågan på sin spets under de senaste åren är främst att spänningsmatningen sjunker när processgeometrierna minskar. För digitalkonstruktörerna är detta ett plus då effektförbrukningen minskar.

Analogkonstruktörerna ser en annan sida av myntet. När matningsspänningen sjunker minskar insignalen för exempelvis en inbyggd AD-omvandlare. Det gör den minst signifikanta biten (LSB) mindre. Samtidigt blir signalbrusförhållandet (SNR) sämre, varvid AD-omvandlarens dynamik minskar. Enligt en tumregel har dagens inte- integrerade AD-omvandlare hela 2 bitar lägre antal effektiva bitar (ENOB) än vad som anges i databladet. En 12 bitars omvandlare kan alltså enbart prestera 10 bitar.

Finare processgeometrier blir samtidigt dyrare per ytenhet. En komplett 8-tum kiselskiva tillverkad i 120 nm kostar runt 1 200 dollar, medan en motsvarande skiva i 180 nm kostar 400 till 500 dollar. Ett dilemma för analogt är att funktionerna inte skalar lika bra som de digitala när processgeometrierna minskar.

- Om kretsytan domineras av analogt blir det inte kostnadseffektivt att gå ner i processgeometri. Tillverkar man däremot telefonchips som går i stora volymer och bara har lite analogt i hörnet för röstbehandling, då kan det vara värt att gå ner i processgeometri, säger David Robertson.

Även Freescale - som lever på att bygga in allt på ett chips - diskuterar dessa frågor. Bilindustrins behov och önskemål är en drivande kraft för företaget. För tre år sedan var bilindustrin på väg mot lösningar med separata chips men nu är företagen tillbaka igen och vill integrera.

- De ser att en sådan lösning blir kompaktare, lättare att hantera och tillförlitligare, säger Bo Göran Ericsson, chef för Freescale Nordic.

Freescales approach är en modulär konstruktion kring Power PC-kärnan med inbyggt flashminne och AD-omvandlare. Ett exempel är MPC554, en 32 bitars styrkrets tillverkad i 130 nm och lämpad för realtidsstyrning i bilens drivlina. Kretsen kan levereras med två varianter av inbyggd AD-omvandlare. Den ena har 10 bitars upplösning och samplar med 800 kS/s, den andra har 12 bitar och samplar 400 kS/s.

- Ner till 90 nm ser vi inget jätteproblem med att integrera AD-block på systemchips, egentligen ser vi inget hinder ner till 65 nm.

Samtidigt har det inbyggda flashminnet en central del i detta. Minnet kräver en analog spänningspump på 5 V, vilket är en klar fördel om man även vill integrera analoga block. Bilindustrins krav på in- och utgångar som klarar 5 V är ytterligare en faktor som gör det enklare att låta analogttekniken följa med.

- I systemkretsar har vi lösningar med speciella processteg som ger lägre spänning till de digitala delarna och högre till de analoga, säger Bo Göran Ericsson.

Minnet avgör

Mellan år 2008 och 2010 kan det vara aktuellt för bilindustrin att gå över till 65 nm. Då kan det också - i bästa fall - vara dags för ett arkitekturskifte för det inbyggda minnet.

- Det är för tidigt att tala om hur vi gör vid 65 nm. Här kan valet av inbyggt minne spela stor roll. Om MRAM ersätter flash kan det tänkas att vi tar andra beslut kring integration Bo Göran Ericsson.

Nya arkitekturer är för övrigt något som kan spela spratt med alla framtidsutsikter. En trend som pågått i 20 år är att försöka ersätta analogt med digitalt så långt det går. Inom signalbehandling ser man det tydligt. Inom mjukvaruradio ersätter man den analoga domänen med digital teknik. Och vid direktkonvertering försöker man ersätta analoga filter med digitala alternativ.

- Vi arbetar hela tiden med att ändra arkitekturen hos de analoga lösningarna så att de ska passa bättre att integreras, säger David Robertson.

Många är också övertygade om att det kommer att utvecklas AD- och DA-omvandlare som är lämpade för fina processgeometrier. Lockelsen är att kunna utnyttja den höga råhastigheten hos processorn, samtidigt får man betala den lägre precisionen med digital felrättning.

Dyrt att testa

Högpresterande analoga funktioner kommer däremot förmodligen inte att integreras i någon högre grad framöver. De är svårt att realisera och det är riskfyllt.

- Test av högpresterande funktioner är både svårare och dyrare. Samtidigt blir yielden en utmaning, vilket också kan bli dyrt, säger David Robertson.

Ytterligare ett argument för att välja separata lösningar är att man under en produkts livslängd ofta vill uppdatera analoga och digitala chips i olika takt.

Rent digitala konstruktioner kan förhållandevis enkelt föras från en processgeometri till nästa. När en ny litografigeneration förs på tal i den analoga världen måste konstruktörerna däremot sätta sig vid ritbordet igen - varje gång.

Anna Wennberg