Integrált áramkörök/5 ASIC áramkörök Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék 12/10/2007
1/33
Mai témák • Az integrált áramkörök felosztása • Integrált áramkörök létrehozása – Integrált áramkörök tervezése
• ASIC kategóriák – Semi-custom ASIC kategóriák
• Semi-custom ASIC áramkörök • A ma használatos IC tervezési módok legfontosabb jellemzői
2/33
Integrált áramkörök felosztása • Katalógus áramkörök (COTS commercial off the shelf) – általában széles körű használhatóság – a felhasználó nem azonos a tervezővel – nagyon nagy számban gyártják
• ASIC áramkörök (Application specific Integrated circuits) régebben : Berendezés orientált IC-k – adott speciális célra készülnek – általában a felhasználó tervezi (tervezteti) – a sorozatszám nagyon széles határok között változhat
3/33
Integrált áramkörök létrehozása • IC gyártás: A mélységi struktúra kialakítása • IC Tervezés: a felületi struktúra kialakítása – Teljesen elválik a gyártástól, térben és időben is – Az óriási adat-tömeg kezelésére: CAD módszerek
• A kettő közötti kapcsolat: tervezési szabályok (design rules)
4/33
Integrált áramkörök létrehozása • IC Tervezés: nem tud lépést tartani a technológia fejlődése által biztosított lehetőségekkel amit lehet, újra kell hasznosítani... g
complexity 103
Process technology design gap
102
Design productivity 101
4
8
12
16 year
5/33
Integrált áramkörök tervezése Katalógus áramkörök • A mai IC bonyolultságok mellet képtelenség őket teljesen újratervezni a főbb funkcionális blokkokon lehetőleg nem változtatnak • A korábban bevált blokkok, makrocellák (pl. egy mikroprocesszor) un. IP-k (Intellectual property) formájában használhatók újra – általában viselkedés szintű leírás formájában – a kapcsolódást standard interface-ek (Virtual socket-ek) biztosítják
• Az uj IC gyártásához valamennyi maszkot meg kell tervezni és le kell gyártani nagyon drága 6/33
2007 63nm ???
120B gates
7/33
A virtuális alkatrészek térhódítása
8/33
Integrált áramkörök tervezése ASIC áramkörök • A szükséges darabszám igen széles határok között változhat (1– több millió) • Kis szériaszámok esetén kritikus az ár • törekedni kell arra, hogy minél kevesebb legyen az egyedi lépés – a tervezésben – a gyártásban
•
Az ASIC áramkörök • részben előre gyártottak, • részben előre tervezettek 9/33
ASIC kategóriák Az egyes típusok között korábban meglévő éles határok mára már elmosódnak, mint pl. PROM Custom ASICs (full custom). Tervezésük és gyártásuk, mint a katalógus áramköröknél, az összes maszk megtervezését és legyártását jelenti. Semi-custom ASICs. Részben vagy teljesen előre gyártottak a végleges kialakítás teljes egészében software úton történik, vagy struktúráltak mint a custom áramkörök, de a maszk minták nagy része előre tervezett. 10/33
ASIC kategóriák A határok egyre inkább elmosódnak...
Részben előre tervezett
Előre tervezett
Részben előre gyártott Előre gyártott
11/33
Semi-custom ASIC kategóriák •
Gate array
A leggyakoribbak...
– a fémezés réteg kivételével előre gyártottak – Az áramkör végleges funkciójának kialakítása az előre kialakított logikai kapukat összekötő fémezés maszk megtervezését és legyártását jelenti.
•
Standard cellás tervezésű áramkörök – a maszk minták jó része cellák formájában előre meg van tervezve (tartalmazhat VLSI makrocellákat is) – de a maszkokat meg kell tervezni és legyártani.
•
Cella bázisú ASIC – A standard cellás és gate array architektúra kombinációja.
•
Programozható logikai eszközök (PLD) – Teljes egészében előre gyártottak – A kívánt logikai funkciót az összeköttetések programozásával valósíthatjuk meg, hasonlóképpen mint a programozható ROM-ok esetében.
12/33
Semi-custom ASIC áramkörök Gate array, vagy kapu mátrix áramkörök Két szokásos kialakítási mód:
Régen...
• Az első esetben az elemsorok közötti csatornák az összeköttetések megvalósítására szolgálnak. • A második elrendezés az un. SOG (Sea of gates) architektúra. • A cellák mindkét esetben logikai áramkörök széles választékát biztosíthatják, lehetnek akár VLSI makroáramkörök is. 13/33
Semi-custom ASIC áramkörök Gate array, vagy kapu mátrix áramkörök Régen : a fémezés kialakításával MA: szoftver úton, programozható összeköttetésk kialakításával, de van már ennél jóval bonyolultabb struktúra is...
14/33
Semi-custom ASIC áramkörök Standard cellás áramkörök • Valamennyi maszkot le kell gyártani. • A tervezést a makrocellák könyvtára támogatja, a tervező feladata ezeknek az elhelyezése és összekötése. • Adott funkciót általában kisebb területen tudunk így megvalósítani mint a gate array technikában, viszont jóval drágább.
15/33
Semi-custom ASIC áramkörök Cellás tervezésű áramkörök • Cellás tervezésű áramkörökben a megacellák (pl. mikrokontrollerek, memóriák stb) általában gate array blokkokkal vannak körülvéve. • Az un. embedded (beágyazott) cellák előretervezettek, az ASIC tervező feladata ezek beillesztése a gate array-vel kialakított áramkörébe. • Régen: a szubsztrát előre gyártható, a felhasználó csak a fémezés megtervezéséről és legyártásáról rendelkezik. • Ma: teljes egészében előre gyártott
16/33
Semi-custom ASIC áramkörök Mixed-mode és analóg ASIC áramkörök • Digitális és analóg áramköri részleteket is tartalmaznak. • Az analóg részletek komplett áramköröket valósítanak meg, műveleti erősítőket, komparátorokat, feszültség referenciákat, adat konvertereket, stb. • A digitális áramkör részletek akár standard cellásak, akár array formájúak lehetnek.
17/33
Semi-custom ASIC áramkörök Programozható logikai eszközök (PLDs) Teljes egészében előre gyártottak, konfigurálásuk vagy biztosítékok kiégetésével, vagy programozható összeköttetések programozásával történik. • A programozható összeköttetések lehetnek MOS áteresztő tranzisztorok vagy EPROM/EEPROM típusú tranzisztorok. • MA a programozás kizárólag elektromosan történik: FPGA
18/33
Semi-custom ASIC áramkörök FPGA (Field Programmable Gate Array) áramkörök Logikai cellák és programozható összeköttetések mátrixából állnak. Teljes egészében előre gyártottak. Néhány példa:
XILINX FPGA architektura
19/33
Semi-custom ASIC áramkörök FPGA (Field Programmable Gate Array) áramkörök A XILINX FPGA egy konfigurálható blokkja:
Look-up-table: SRAM, amibe beírjuk a logikai függvényt
20/33
Semi-custom ASIC áramkörök FPGA (Field Programmable Gate Array) áramkörök Altera FPGA architektura Nagyon sok variáns létezik... Logic Array Blocks I/O Conrol blocks Programmable interconnect array
21/33
Semi-custom ASIC áramkörök FPGA (Field Programmable Gate Array) áramkörök • Előnyük: gyorsan elkészíthető (kipróbálható) hardware Ma már intelligens tervező programok léteznek, amik a viselkedés szintű (behavioral) leírásból generálják a kész áramkört
olcsó sok újraprogramozható • Hátrányuk: (Egyre kevésbé, de) korlátozott bonyolultság Korlátozott paraméter értékek (sebesség, stb) 22/33
A ma legfontosabb IC tervezési módok
Részarány 2003-2004
Timing driven design (TDD)
Block based design (BBD)
Platform based design (PBD)
Az időzítés központú tervezés (TDD) jellemzői Előnyök Bevált módszer, sok tervezési gyakorlat Nagyon jó tervezőprogramok állnak rendelkezésre RAM/ROM blokkok, cellákként építhetők be. Szintézisprogramok segítik a tervezők termelékenységét Egységes és automatikus teszt generálás Kisméretű szoftver IP blokkokat is tud kezelni
Problémák Bonyolult, sűrű áramkörök elhelyezése és összehuzalozása általában csak iteratív módon lehetséges A logikai szimuláció után nehéz a fizikai struktúra módosítása 150 K kapuszám fölött hierarchia mentes tervezés a nagy komplexitás miatt nem is lehetséges A szintézis eszközök limitált blokkméretekkel tudnak csak dolgozni A fizikai tervezés ideje hosszú és néha nem konvergens 24/33
Az időzítés központú tervezés (TDD) jellemzői Előnyök Bevált módszer, sok tervezési gyakorlat Nagyon jó tervezőprogramok állnak rendelkezésre RAM/ROM blokkok, cellákként építhetők be. Szintézisprogramok segítik a tervezők termelékenységét Egységes és automatikus teszt generálás Kisméretű szoftver VC blokkokat is tud kezelni
Problémák Bonyolult, sűrű áramkörök elhelyezése és összehuzalozása általában csak iteratív módon lehetséges A logikai szimuláció után nehéz a fizikai struktúra módosítása 150 K kapuszám fölött hierarchia mentes tervezés a nagy komplexitás miatt nem is lehetséges A szintézis eszközök limitált blokkméretekkel tudnak csak dolgozni A fizikai tervezés ideje hosszú és néha nem konvergens 25/33
A ma legfontosabb IC tervezési módok
Részarány 2003-2004
Timing driven design (TDD)
Block based design (BBD)
Platform based design (PBD)
IP Blokk alapú tervezés (BBD) jellemzői Előnyök A TOP-DOWN design módszer segítségével komplex, nagy áramkörök tervezhetők Külső processzor blokkok felhasználása támogatott Parallel tervezői teamek együttműködését támogatja Az összeköttetések végleges kialakítása az RTL elrendezés tervezés során biztosított A rendszerszintű és RTL szintű szimuláció kapcsolata támogatja a tesztelhetőségre való tervezést
Problémák Nem hoz létre automatikusan használható új komponenseket A szoftver blokkokat az új környezetben újra kell verifikálni Kevés a rendelkezésre álló viselkedés szintű modell. Az RTL szintű modellek beépítése nehéz és drága A potenciális összeköttetés (parazita) problémák csak a tervezési folyamat végén jelentkeznek A hardver és szoftver együttes verifikálása általában drága hardver emulációs környezetet igényel a gyors, magas szintű modellek hiánya miatt 27/33
IP Blokk alapú tervezés (BBD) jellemzői Előnyök A TOP-DOWN design módszer segítségével komplex, nagy áramkörök tervezhetők Külső processzor blokkok felhasználása támogatott Parallel tervezői teamek együttműködését támogatja Az összeköttetések végleges kialakítása az RTL elrendezés tervezés során biztosított A rendszerszintű és RTL szintű szimuláció kapcsolata támogatja a tesztelhetőségre való tervezést
Problémák Nem hoz létre automatikusan használható új komponenseket A szoftver blokkokat az új környezetben újra kell verifikálni Kevés a rendelkezésre álló viselkedés szintű modell. Az RTL szintű modellek beépítése nehéz és drága A potenciális összeköttetés (parazita) problémák csak a tervezési folyamat végén jelentkeznek A hardver és szoftver együttes verifikálása általában drága hardver emulációs környezetet igényel a gyors, magas szintű modellek hiánya miatt 28/33
A ma legfontosabb IC tervezési módok
Részarány 2003-2004
Timing driven design (TDD)
Block based design (BBD)
Platform based design (PBD)
Platform alapu tervezés (PBD) jellemzői Előnyök Az eleve tervezett újrahasznosítás nagyon magas tervezési produktivitást eredményez A tervek különböző forrásokból származó különféle speciális funkciókat megvalósító blokkokból rakhatók össze A hierarchikus huzalozás és időzítés számítás egyszerűsíti a tervezési folyamatot Az interfész alapú tervezés támogatja a magas szintű leírást és annak implementációját
Problémák A tervezett újrahasznosítás jelentős előzetes tervezést és pontos jövőbeli termék tervezést igényel A nagymennyiségű szoftver tartalom jelentős hardver szoftver ko-verifikációt igényel.
A beágyazott analóg és mixed-signal tartalom jelentős zaj és tesztelhetőségi problémákhoz vezet Az új technológiák belépése a virtuális komponensek (hardver és szoftver) újrakarakterizálását és a platform architektúra újraformálását igényli Szervezési változtatásokat igényel ha a A blokkok többszörös újrahasznosítása csökkenti a tervezési rendszerszintű integráció megváltozik költséget és optimális tulajdonságú blokkok kialakulását segíti.
Platform alapu tervezés (PBD) jellemzői Előnyök Az eleve tervezett újrahasznosítás nagyon magas tervezési produktivitást eredményez A tervek különböző forrásokból származó különféle speciális funkciókat megvalósító blokkokból rakhatók össze A hierarchikus huzalozás és időzítés számítás egyszerűsíti a tervezési folyamatot Az interfész alapú tervezés támogatja a magas szintű leírást és annak implementációját
Problémák A tervezett újrahasznosítás jelentős előzetes tervezést és pontos jövőbeli termék tervezést igényel A nagymennyiségű szoftver tartalom jelentős hardver szoftver ko-verifikációt igényel.
A beágyazott analóg és mixed-signal tartalom jelentős zaj és tesztelhetőségi problémákhoz vezet Az új technológiák belépése a virtuális komponensek (hardver és szoftver) újrakarakterizálását és a platform architektúra újraformálását igényli Szervezési változtatásokat igényel ha a A blokkok többszörös újrahasznosítása csökkenti a tervezési rendszerszintű integráció megváltozik költséget és optimális tulajdonságú blokkok kialakulását segíti.
