Post on 03-May-2015
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 1
Tecnologie Implementative
su gentile concessione di
Andrea Neviani
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 2
Come è fatto un sistema digitale?
Scheda Circuito integrato VLSI
Sistema digitale
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 3
Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
C, P, DSP, ...Componenti programmabili
FPGA, CPLD
PROM, PAL, PLA
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
Gate Arrays
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 4
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 5
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 6
Programmable Logic Array (PLA)
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 7
Programmed PLA
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 8
Programmable Array Logic (PAL)
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 9
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 10
Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
C, P, DSP, ...Componenti programmabili
FPGA, CPLD
PROM, PAL, PLA
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
Gate Arrays
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 11
Tecnologie per realizzare un ASIC
Digital Circuit Implementation Approaches
Custom Semi-custom
Cell-Based Array-Based
Standard Cells Macro Cells Pre-diffused Pre-wired(FPGA)Compiled Cells (Gate Arrays)
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 12
Approccio Full-Custom - 1/2• Sintesi logica manuale
– da specifiche funzionali a rete di porte logiche– mappe di Karnaugh, metodo Quine-McKluskey, modelli di
Mealy e Moore per macchine a stati
• Sintesi circuitale manuale– da rete di porte logiche a rete di transistor– regole per la costruzione di circuiti statici (FCMOS, pass-
transistor …) e dinamici (np-CMOS, NORA, TSPC)
• Realizzazione del layout manuale– da rete di transitor a mappa delle maschere
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 13
Approccio Full-Custom - 2/2• Vantaggi
– prestazioni ottimizzate (velocità, consumi)
– uso di area minimizzato
• Svantaggi– tempi di progetto lunghi– impraticabile per circuiti molto
complessi– possibilità di riuso ridotte
Limitato ai blocchi critici di un sistema digitale
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 14
Tecnologie per realizzare un ASIC
Digital Circuit Implementation Approaches
Custom Semi-custom
Cell-Based Array-Based
Standard Cells Macro Cells Pre-diffused Pre-wired(FPGA)Compiled Cells (Gate Arrays)
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 15
Approccio Semi-Custom, Cell-Based
• Celle standard e macrocelle– libreria di celle elementari pre-
progettate e caratterizzate (celle standard) o celle complesse (macrocelle)
– circuito realizzato interconnettendo celle prese dalla libreria
– sintesi logica e layout realizzati con strumenti semi-automatici
FunctionalModule(RAM,multiplier, )
Row
s of
Cel
ls
Logic Cell
RoutingChannel
Feedthrough Cell
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 16
Esempio di cella standard
• Layout con altezza, VDD e GND uguale per tutte le celle
• modello delle prestazioni dinamiche:
tp=tpo+K·CL
ramo tpo (ns) K (ns/pF)
A1-O,LH 0.153 2.759
A1-O, HL 0.137 2.655
… … …
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 17
Esempio di cell-based ASIC 1/21) standard-cell block
2) high-performance, full-custom block
3) Intellectual Property (IP) block
4) SRAM core
5) P core
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 18
Esempio di cell-based ASIC 2/2
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 19
Approccio Semi-Custom, Gate-Array
rows of
cells
routing channel
uncommitted
VDD
GND
polysilicon
metal
possiblecontact
In1 In2 In3 In4
Out
riga di celle
canale per interconn.
cella vergine
cella programmata
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 20
Varianti di Gate-Arrays
Sea-of-gates (SOG) Embedded SOG
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 21
Confronto Celle Standard - Gate ArrayCelle Standard
prestazioni ottimizzate a livello di cella
sfruttamento completo delle risorse
strumenti automatici per la progettazione fase di sviluppo veloce
sviluppo della libreria costoso processo di fabbricazione
completo (come full-custom)
Gate Array matrice di celle uguale per
tutti costo suddiviso tra tutti i clienti
processo di fabbricazione ridotto (solo METAL)
strumenti automatici per la progettazione fase di sviluppo veloce
utilizzo incompleto delle celle prestazioni sub-ottime
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 22
Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
C, P, DSP, ...Componenti programmabili
FPGA, CPLD
PROM, PAL, PLA
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
Gate Arrays
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 23
Circuiti logici programmabili (PLD e FPGA)• Concetto base:
– insieme di celle e interconnessioni riconfigurabili via software– funzione logica svolta da ciascuna cella e collegamenti tra i
terminali delle celle determinati commutando interruttori programmabili
• Interruttori programmabili (Programming Technology):– a fusibili (programmabili una volta sola)– MOSFET con memorie non volatili (EPROM, EEPROM,
FLASH)– MOSFET con memorie SRAM
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 24
Esempio di FPGA - 1/2
CLB CLB
CLBCLB
switching matrixHorizontalroutingchannel
Vertical routing channel
Interconnect point
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 25
Esempio di FPGA - 2/2
R
Q1D
CE
R
Q2D
CE
F
G
F
G
F
G
R
D in
Clock
CE
F
G
A
B/Q1/Q2
C/Q1/Q2
D
A
B/Q1/Q2
C/Q1/Q2
D
E
Combinationa l logic Sto ra ge eleme nts
Any function of up to 4 variables
Any function of up to 4 variables
funzioni arbitrarie fino a 4 variabili
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 26
Pro e contro di PLD/FPGA si compra il componente finito e lo si programma sul campo,
senza ulteriori passi di fabbricazione progettazione assistita da strumenti semi-automatici come per
celle standard e gate array terminato il progetto, la programmazione del componente
richiede pochi secondi il componente può essere riprogrammato (tranne nel caso di
interruttori a fusibili) utilizzo incompleto di celle e interconnessioni prestazioni ridotte rispetto ai potenziali della tecnologia costi non competitivi per grandi numeri (20,000 ÷ 50,000 pezzi)
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 27
Quale tecnologia scegliere?
Cell-Based
Gate Arrays
FPGA/CPLD
prestazioni robustezza
rapidità di sviluppo riconfigurabilità
costi: dipendono dal volume di produzione richiesto
• bassi volumi: FPGA/CPLD
• alti volumi: Cell-Based
Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 28
Confronto dei costi