המהפכה התעשייתית הרביעית

מלאדן ניזיק, קיידנס

רעיון של חיבור “חפצים”
לאינטרנט עם האפשרויות של חישה ובקרה מרחוק, איסוף נתונים, שידור וניתוח, יוכל לעזור ולשפר כמה וכמה תחומים חשובים בחיינו: בטיחות ואיכות חיים, טיפולי בריאות, ייצור ואספקת שירותים, נצילות אנרגיה ושמירה על הסביבה. ה”אינטרנט של החפצים”, או בקיצור IoT, הופך והולך למציאות במהירות מסחררת. עד שנת 2020 מספר החפצים המחוברים לאינטרנט עשוי להגיע עד כדי 50 מיליארד וכמות הנתונים שיוכלו ההתקנים הללו לייצר, עשויה להגיע עד 50 טריליון גיגהבייט. מכאן, ברור לכולם שעבור היצרניות של מוליכים למחצה ומערכות, טמונה פה הזדמנות משמעותית לפתח את הטכנולוגיות המחוברות שיעזרו להניע ולקדם את התחום.
צומת אופייני של ה”אינטרנט של החפצים” משלב חיישן אחד או יותר, מודולי AFE (קצה קדמי אנלוגי), MEMs (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות), משדרי/מקלטי אלחוט, מעבד וזיכרון. אי לכך, המערכת על-גבי שבב (SoC) תהיה תכנון שמטבעו מבוסס על אותות מעורבים (mixed-signal). כדי לתכנן מערכות על-גבי שבב עבור יישומי ה”אינטרנט של החפצים” באקלים התחרותי של היום, בו בידול במאפיינים ובמחיר הוא קריטי, יהיה על המתכננים להתמודד עם כמה אתגרים עיקריים, ביניהם: שילוב של פונקציות אנלוגיות ודיגיטליות, אימות תוכנה-חומרה וצריכת ההספק.

הספק נמוך: כמה נמוך אפשר לרדת?
צריכת הספק היא אחד השיקולים הקריטיים ביותר עבור יישומי ה”אינטרנט של החפצים” כיוון שמדובר בהתקנים שפועלים, לרוב, על סוללות במשך שנים רבות, ובמקרה האידיאלי נטענים על-ידי איסוף אנרגיה מהסביבה. במטרה לצמצם את צריכת ההספק, בוחרים המתכננים IPs חסכוניים באנרגיה וממטבים את המערכת כך שרק החלקים ההכרחיים ביותר פועלים בכל רגע נתון. ניקח, לדוגמה, התקן שמטרתו חישת לחץ – כל עוד לא חל כל שינוי, רק חיישן הניטור ההיקפי מופעל. במקרה שהמערכת מאתרת שינוי בלחץ “יתעוררו” שאר החלקים כדי לעבד את המידע ולשלוח אותו אל המחשב המארח. המערכת יכולה לכלול כתריסר אופני הפעלה שונים ויש לאמת כל אחד ואחד מהם.
לצורך מיטוב צריכת ההספק משתמשים המתכננים במגוון טכניקות, לרבות כמה מתחי ספק, כיבוי הספק עם או בלי השיטה של שמירת מצב בעת ניתוק מתח, שינוי (scaling) תדר דינמי ואדפטיבי ו-body biasing. בתכנון דיגיטלי טהור, היישום והאימות של הטכניקות הללו להפחתת ההספק הוא אוטומטי במיוחד, בגישת
top-down (“מרמה עליונה כלפי מטה”), בהתאם למפרטי ההספק המקובלים.
התכנים האנלוגיים בהתקני ה”אינטרנט של החפצים” מייצגים אתגרים משמעותיים יותר, שכן הם מיושמים בדרך כלל בגישת bottom-up (“מלמטה כלפי מעלה”) ללא מפרטים מפורשים וברורים של הספק נמוך, מה שלמעשה אומר שאופציית האימות היחידה שנשארת היא הסימולציה ברמת הטרנזיסטור. קיידנס הפכה את סימולציית האותות המעורבים לאוטומטית בזכות פורמט ההספק הנפוץ (CPF) שנועד להגדיר התנהגויות במעבר בין התחום האנלוגי לדיגיטלי במקרה של שינויים בתחום ההספק וניתוקים. יתרה מכך, Virtuoso® Schematic Editor של קיידנס מסוגל לתאר את כוונת תכנון ההספק עבור מעגלים מיוחדים ולייצא אותה בפורמט ה-CPF לצורך אימות הספק נמוך סטטי. כשצריך לגלות שגיאות שכיחות של הספק-נמוך, כדוגמת חוסר במשני ממתח
(level-shifters) או תאי בידוד – השיטה הסטטית מהירה יותר מסימולציה.

אימות חומרה-תוכנה
התוכנה ממלאת תפקיד קריטי בהתקני ה”אינטרנט של החפצים” שכן בקרי-חישה, עיבוד נתונים ופרוטוקולי תקשורת הן פונקציות שמיושמות בדרך כלל בתוכנה. לכן, אימות מערכת חייב לכלול הן תוכנה והן חומרה. כדי לקצר את זמן האימות חשוב להתחיל בפיתוח התוכנה, החומרה והאימות במקביל. Virtual System Platform של קיידנס מספקת את היכולת ליצור מודלים וירטואליים ולשלבם בתוך אב-טיפוס וירטואלי של מערכת לצורך אימות מוקדם של המערכת, פיתוח תוכנה וניפוי שגיאות.
כשמדובר במערכות שכוללות גם פונקציות אנלוגיות, מציעה קיידנס מספר יכולות ייחודיות. הסימולטור Incisive® Enterprise מסוגל לבצע סימולציה של כלל המערכת, לרבות RTL עבור מעבד עם מערך פקודות מהודר, בלוקים דיגיטליים ב-RTL ומודלים אנלוגיים המשתמשים במודלי מספרים ממשיים (RNM). יכולות ייחודיות אלה מאפשרות למתכנני חומרה ותוכנה להתחיל לשתף פעולה בשלב מוקדם יותר בפיתוח ולעבוד בו-זמנית על התוכנה והחומרה, במקום בזו אחר זו.

רמה גבוהה של אינטגרציה
כדי להקל על תהליך הפיתוח ולקצר את מחזור התכנון עבור התקני ה”אינטרנט של החפצים”, יכולים המתכננים לעשות שימוש חוזר בבלוקי קניין רוחני (IP) עבור מגוון פונקציות. הם יכולים לתכנן את בלוקי ה-IP הללו בתוך החברה או לרכוש אותם מחברות חיצוניות, מה שיאפשר להם להתמקד בבידול של כמה בלוקים מסוימים ובאינטגרציה. היכולת לשלב SoC במהירות ובאופן חסכוני היא המפתח להצלחה.
שילוב של IP אנלוגי מצריך תשומת לב מיוחדת. קיידנס פיתחה מתודולוגיה המתבססת על RNMs (מודלי מספרים אמיתיים) יעילים במיוחד לצורך הפשטה של הפונקציות האנלוגיות ברמה גבוהה ולצורך אימות SoCs ללא ה”קנס” של ירידה משמעותית בביצועים. היכולות של אימות ויצירת מודל באופן אוטומטי בפלטפורמת ה-Virtuoso עוזרת למתכננים להתגבר על האתגרים המסורתיים במידול ומנצלת את הסימולציה תוך שימוש ב-RNM שנתמך בהרחבות של IEEE1800, ה-Verilog-AMS או ה-System Verilog שעברה סטנדרטיזציה לאחרונה. בעזרת ה-RNM יכולים המתכננים לאמת את הפונקציונליות של התכנון בקשת רחבה של תרחישים, בצורה מעמיקה ובמהירות רבה יותר.
משעבר תכנון ה”אינטרנט של החפצים” את שלב האימות, חשוב לממשו בסיליקון בצורה פרודוקטיבית. לצורך הבטחת המיזוג של התכנון לכל אורך תהליך היישום הפיסי, חייבים מתכנני הפונקציונליות האנלוגית ומתכנני הפונקציונליות הדיגיטלית לשתף פעולה כדי להפיק ביחד רצפת תכנון מיטבית, אינטגרציית שבבים מלאה וביצועי post-layout וחתימה סופית של התכנון הפיסי. קיידנס שילבה שתי פלטפורמות מובילות שלה, Virtuoso האנלוגית ו-®Encounter הדיגיטלית על מסד הנתונים OpenAccess הסטנדרטי בתעשייה להספקת זרימה מאוחדת עבור תכנוני אותות מעורבים. הזרימה פועלת על מסד הנתונים המשותף עבור פונקציות אנלוגיות ודיגיטליות אשר אינו מצריך תרגום נתונים ומאפשר איטרציות קלות יותר בין מתכנני אנלוג למתכנני דיגיטל למיטוב רצפת התכנון, ליישום ECOs (ניהול שינויים הנדסיים) ולביצוע של אינטגרציית שבבים מלאה וחתימת תכנון סופית.
העולם המודרני ימשיך, עם הזמן, להיות מחובר יותר ויותר ומוצרי האלקטרוניקה שמאפשרים זאת ייעשו יותר ויותר חכמים. התקדמות זו מציבה אינספור אתגרים נוספים עבור מהנדסי התכנון היוצרים את ה-SoCs המורכבות המניעות את המוצרים החכמים והמחוברים הללו. באמצעות פתרונות התכנון הנכונים יוכלו המהנדסים לספק מוצרים ייחודיים התומכים במה שהוגדר על-ידי לא מעט מומחים כגורם המרכזי שיניע את המהפכה התעשייתית הרביעית: “האינטרנט של החפצים”

הכותב הינו מנהל הנדסה בתחום פתרונות אותות מעורבים בקיידנס.