ASIC tai kustomoitu piiri. Moni ajattelee edelleen, että tekniikka on liian kallis ratkaisu pienen volyymin teollisuussovelluksiin. S3 Semiconductorin esimerkki osoittaa, ettei näin läheskään aina ole.

Vaikka kuluttajalehdistö hehkuttaa esineiden internetin joitakin naurettavampia ”innovaatioita”, kuten langattomasti verkkoon liitettyä hammasharjoja ja drinkkisekoittimia, IoT:n suurimmaksi käyttöönottajaksi on ennustettu teollisuusmaailmaa.

Saksan Teollisuus 4.0 -hanke on voimakas ajuri tuotannossa, mutta teollisen IoT:n eli IIoT:n sovellukset kattavat myös sähkönsiirron, liikenteen, älymittarit, itse asiassa kaiken sen mitä joskus kutsuttiin M2M-tietoliikenteeksi, ja sitäkin enemmän. IIoT:n lupaa parempaa tehokkuutta ja joustavuutta tuotantoon, toimintaan, tavaroiden hallintaan ja teollisten järjestelmien palveluihin ja ennakoivaan ylläpitoon.

IIoT:n rakennuspalikoita ovat anturit, jotka havaitsevat, mitä maailmassa tapahtuu, datamuuntimet (analogisesta digitaaliseen ja päinvastoin), paikalliset prosessorit, muisti datan tallennukseen, ja kiinteä tai langaton yhteys aktuaattoreihin tai etädatankeruuseen ja analytiikkakeskuksiin. Etäprosessointi voi hyödyntää tehokkaita pilvipalvelimia.

Perinteisesti useimmat anturipohjaiset elektroniikkajärjestelmät on rakennettu erilliskomponenteilla piirikorteille. Nyt monien näiden järjestelmien laskentamoottoreina piirikortilla toimivat mikro-ohjaimet sisältävät oheistoimintoja kuten datanmuuntimet, muistit ja prosessorit itse sirulla. Ne on myös varustettu valikoimalla liitäntävaihtoehtoja kuten sarjaliitäntä tai CAN-väylä, ja joissakin on mukana myös langaton yhteys. Useimmat järjestelmät tarvitsevat myös ulkoisia komponentteja mikro-ohjainten lisäksi saavuttaakseen kaikki toivotut toiminnot.

Automaation asteen kasvaessa lisääntyy myös tulojen ja lähtöjen määrä teollisuuden elektroniikkajärjestelmissä (kuva 1). Tulosignaalit tulevat kytkimistä, näppäimistöistä, kosketuslevyistä, enkoodereista, skannereista ja antureista. Anturit voivat mitata painetta, lämpötilaa, kosteutta, ilman laatua, kiihtyvyyttä, tai monia ympäristön suureita. Signaalilähdöt menevät näyttöajureille, lämmittimille, moottoreille, ja aktuaattoreille tai kytkimille. Niissä voi olla myös liitettävyyttä, joko kiinteänä tai langattomana. Tulojen ja lähtöjen välillä on usein erilaisia signaalikäsittelypiirejä, jotka helpottavat yhteensopivuutta ulkoisten laitteiden välillä. Nämä voivat olla niin yksinkertaisia kuin jännitteensäätimiä tai hienostuneempia signaaliprosessoreita.

Kuva 1: Ohjauskortin tyypilliset toiminnalliset lohkot.

Vaatimattominkin ohjauskortti voi sisältää satoja komponentteja ja jokainen niistä täytyy määritellä, etsiä, ostaa ja pitää varastossa ennen kuin se kootaan piirikortille. Usein tarvitaan paljon komponentteja, koska ei ole olemassa valmista kaupallista integroitua piiriä, joka suoriutuisi kaikesta tarvittavasta. Suurten puolijohdetoimittajien standardikomponentit on suunniteltu sopimaan mahdollisimman laajaan valikoimaan sovelluksia, mikä tarkoittaa, että ne yleensä ovat kompromissi jokaisen sovelluksen näkökulmasta. Mitkään kaksi sovellusta eivät ole täysin samanlaisia.

Jos on odotettavissa, että tuotetta valmistetaan useiden vuosien ajan, standardipuolijohteiden käyttäminen muodostaa toisen riskin. Ne voivat vanhentua nopeasti, koska monet on kehitetty käytettäväksi kulutuselektroniikan tuotteissa, joissa elinkaaret voivat olla vain muutaman vuoden mittaisia.

Nämä ovat vain osa syistä, joiden takia kustomoidun integroidun piirin kehittäminen teollisuussovelluksiin on niin houkutteleva ajatus. Piirit tekevät juuri sen, mitä niitä vaaditaan – ei enempä, ei vähempää. Ja ne tekevät tehtävänsä itse, minimaalisella ulkoisten komponenttien määrällä.

Kustomoidun piirin suunnittelussa on lisäksi olemassa useita muita etuja. Järjestelmistä tulee pienempiä, kevyempiä ja yksinkertaisempia, ne kuluttavat vähemmän tehoa ja niiden testaamisesta tulee helpompaa.Ne ovat turvallisempia, koska kortilla olevaa integroitua piiriä on paljon vaikea paljastaa käänteisen suunnittelun keinoin, joten suunnittelu-IP on paremmin suojattu. Lisäksi sen avulla voi lisätä erottautumista, jota kilpailijoiden voi olla vaikea toistaa. Muista, että kustomoitu IC-piiri antaa sinulle mahdollisuuden luoda juuri se toiminnallisuus, jonka tarvitset tai haluat.

Kun analysoidaan mahdollisia säästöjä, pitää katsoa pelkkiä materiaalikuluja laajemmin. Myös komponenttien jäljittäminen maksaa, niiden pitäminen varastossa maksaa, kortin kokoonpano ja testaaminen maksavat. Joissakin tapauksissa myös kustomoidun piirien luomisen tuomat energiansäästöt voivat olla merkittäviä. Sovelluksesta riippuen on osoitettu jopa 80 prosentin säästöjä tuotteen elinkaaren aikana ja investointi maksaa itsensä takaisin lyhimmillään vain yhdessä vuodessa. Tämä tietenkin riippuu järjestelmän monimutkaisuudesta ja valmistettavien tuotteiden määrästä.

Mikäli kustomoidun integroidun piirin kustannuksista ja kehityksen hankaluudesta ei olisi tiettyjä negatiivisia käsityksiä – erityisesti alhaisemmilla volyymeillä, kuten muutamissa kymmenissä tuhansissa vuosittain – paljon useammat teollisuusyritykset miettivät sitä aitona vaihtoehtona. Mutta tarkastellaanpa tätä kustannuskysymystä hieman tarkemmin.

Elektroniikkasuunnittelijat tietävät, että transistorit kutistuvat koko ajan, transistorien määrä sirulla kasvaa (Mooren lain mukaisesti), ja edistyneen puolijohdetuotannon hinta kasvaa prosessien tullessa tarkemmiksi ja teknisesti vaativammiksi. Piirin valmistuksessa käytetyn maskisarjan hinta voi nousta miljooniin dollareihin. Tämä voi hämärtää sen tosiseikan, että useimpia sekasignaalipiirejä – joissa yhdistyy analogia- ja digitaalitoimintoja – ei valmisteta uusimmissa ja tiheimmissä alle mikronin prosesseissa. Niiden ei tarvitse olla saavuttaakseen halutun suorituskyvyn, ja joissakin tapauksissa se olisi myös epäkäytännöllistä, koska teollisuuden ohjauspiirien joissakin osissa käytetään suhteellisen korkeita jännitteitä. Sekasignaalipiirit valmistetaan suhteellisen kypsissä valmistusprosesseissa, ja usein laitteilla jotka ovat jo pitkään palvelleet, joten kustannukset jäävät murto-osaan verrattuna siihen, että käytettäisiin viimeisimpiä prosesseja.

Kustannusanalyysiä tehtäessä on tärkeää ottaa huomioon kokonaiskustannukset tuotteen odotetun eliniän aikana. Nämä ovat tärkeimmät tekijät, kun arvioidaan kustomoidun sekasignaalipiirien kehittämisen kustannuksia:

1. Vuosittain valmistettavien järjestelmien määrä.
2. Tuotteen odotettu elinikä: kuinka monta vuotta tuotetta tullaan valmistamaan, tai sen samaan piiriin perustuvia variantteja.
3. Piirikortille tulevien erillisten datamuuntimien määrä, mikro-ohjaimille integroitujen lisäksi.
4. Muiden kortilla olevien analogiakomponenttien määrä – transistorit, diodit, operaatiovahvistimet, regulaattorit
5. Onko kortilla prosessori?
6. Prosessorin suorituskyky. Esimerkiksi (skaalalla 1-4) perustason 8-bittinen mikro-ohjain voisi olla ”1” ja 64-bittinen ARM-pohjainen moniydinprosessori voisi olla ”4”.
7. Kuinka paljon muistia – RAM- ja Flash-muistia – kortilla on, sekä mikro-ohjaimille integroituna että erillisinä komponentteina?
8. Onko kortilla RF-liitäntää? Ensiarvion kannalta ei ole merkitystä sillä, onko liitäntä Bluetooth, WiFi, vai joku muu standardi.

Kuva 2: S3 Semiconductorin verkkolaskuri helpottaa sen näkemistä, onko oman sovelluksen kutistaminen kustomoiduksi integroiduksi piiriksi taloudellisesti kannattavaa.

Näistä muutamista tosiseikoista voi tehdä alustavan kustannusarvion ja nähdä, kuinka nopeasti kustomoidun piirin vaatima investointi maksaisi itsensä takaisin. S3 Semiconductor on kehittänyt ilmaisen verkkolaskurin (ks. kuva 2), jolla laskelman voi tehdä. Pääset siihen käsiksi täällä.

Datan syöttäminen laskuriin vie alle minuutin ja tulos näyttää suoraan tuotantomäärän, jolla kustomoitu piiri tulee kannattavaksi, missä ajassa näin tapahtuu sekä kokonaissäästöt dollareissa tuotteen koko elinkaaren aikana.