Κυκλωμάτων» Χειμερινό εξάμηνο

Transcript

1 «Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων» Χειμερινό εξάμηνο Εισαγωγή στα Συστήματα Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων Δρ. Παρασκευάς Κίτσος Επίκουρος Καθηγητής Αντίρριο 07/10/2016

2 ΚΛΙΜΑΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ Μικρής κλίμακας ολοκλήρωσης (SSI): > 10 τρανζίστορ Μεσαίας κλίμακας ολοκλήρωσης (MSI): > 100 τρανζίστορ Υψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης (LSI): > 1000 τρανζίστορ Πολύ υψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI): > τρανζίστορ Gate Equivalent: Είναι η λογική πύλη NAND δύο εισόδων ή τέσσερα τρανζίστορ

3 ΤΟ ΠΡΩΤΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ Το πρώτο ολοκληρωμένο Texas Instruments, 1958 (Kilby) 1,1 εκ.

4 Ο ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ 4004 ΤΗΣ INTEL τρανζίστορ ~100 KHz λειτουργία

5 ΑΡΙΘΜΟΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΣΕ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ

6 ΔΙΣΚΙΑ - ΨΗΦΙΔΕΣ Απλή ψηφίδα (Die) Δισκίο (Wafer) πυριτίου Μέχρι 12 (30cm)

7 O ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ MOORE Το 1965, ο Gordon Moore παρατήρησε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα τσιπ διπλασιάζεται κάθε 18 με 24 μήνες. Έκανε την πρόβλεψη ότι η τεχνολογία ημιαγωγών θα διπλασιάζει την δυνατότητα ολοκλήρωσης κάθε 18 μήνες

8 ΚΛΙΜΑΚΩΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Η τεχνολογία μειώνεται κατά ένα παράγοντα 0.7/γενιά Σε κάθε γενιά μπορούμε να ολοκληρώσουμε 2x περισσότερες λειτουργίες / chip χωρίς σημαντική αύξηση του chip Το κόστος μιας λειτουργίας μειώνεται κατά 2x Αλλά Πως θα σχεδιαστούν chips με περισσότερες λειτουργίες; Ο πληθυσμός των σχεδιαστών δεν διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια Συνεπώς, χρειάζονται αποδοτικές σχεδιαστικές μέθοδοι

9 ΕΠΙΠΕΔΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ Επιτακτική ανάγκη για: Επίπεδα αφαιρετικής περιγραφής Ιεραρχικό σχεδιασμό Επαναχρησιμοποίηση σχεδιασμών Αυτοματισμό Προδιαγραφές Αρχιτεκτονική Μοντέλο Λειτουργίας Λογική Κύκλωμα Αφαιρετική Περιγραφή Φυσικός Σχεδιασμός Συγκεκριμένη Περιγραφή

10 Ο ΚΟΣΜΟΣ ΤΩΝ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

11 ΜΕΘΟΔΟΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ASIC (Application Specific Integration Circuit) Τα ψηφιακά κυκλώματα για να κατασκευαστούν πρέπει να σταλθούν σε ειδικά εργοστάσια επεξεργασίας ημιαγωγών Εργασία αρκετά χρονοβόρα και ακριβή Το κύκλωμα καταλήγει τελικά στο φυσικό σχεδιασμό του (Layout) FPGA (Field Programmable Gates Arrays) Μπορεί να αγοραστεί από οποιονδήποτε και προγραμματίζεται εξολοκλήρου από τον σχεδιαστή του ψηφιακού σχεδίου O χρήστης με ειδική μεθοδολογία προγραμματίζει τη συσκευή

12 ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ASIC Ισχύων κόστος: 2-3 Δισεκατομμύρια $ Μια τυπική γραμμή παραγωγής ενός τέτοιου εργοστασίου καταλαμβάνει όσο ένα τετράγωνο μιας πολύ μεγάλης πόλης Που απασχολεί μερικές εκατοντάδες υπαλλήλους Απαιτεί κύκλο εργασιών από 6 έως 8 μήνες

13 ΔΕΙΚΤΗΣ ΚΟΣΤΟΥΣ ΣΤΑ ASIC Για «μεγάλα» ολοκληρωμένα (IC): Η συσκευασία είναι πολύ ακριβή Η δοκιμασία (testing) και η επαλήθευση του κυκλώματος είναι επίσης πολύ ακριβή Για «μικρά» ολοκληρωμένα (IC): Το κόστος σχεδιασμού μπορεί να είναι τεράστιο (10- έως 20- εκατομμύρια $)

14 FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAYS (FPGA) (1/2) LE LE LE Interconnect network LE LE LE Τα FPGA ολοκληρωμένα είναι προγραμματιζόμενες λογικές «συσκευές» Αποτελούνται από i) λογικά στοιχεία και ii) δίκτυο διασυνδέσεων

15 FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAYS (FPGA) (2/2) Κάθε λογικό στοιχείο (logic element) έχει έξοδο 1-bit Οι διασυνδέσεις (καλώδια) προγραμματίζονται για την σωστή διασύνδεση μεταξύ των στοιχείων

16 XILINX CLB Configurable logic block (CLB) Slice Slice CLB CLB Logic cell Logic cell Logic cell Logic cell Slice Slice CLB CLB Logic cell Logic cell Logic cell Logic cell

17 ΑΠΛΟΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ LOGIC CELL 16-bit SR 16x1 RAM a b c d 4-input LUT mux flip-flop y e q clock clock enable set/reset

18 FPGA vs ASIC FPGAs: Τα λογικά στοιχεία Είναι προκατασκευασμένα Δεν μας ενδιαφέρει ο φυσικός σχεδιασμός ASIC: Υλοποίηση του κυκλώματος εξαρχής Καταναλώνουν λιγότερη ισχύ

19 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ FPGA ΚΑΙ ASIC ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ Ερώτηση: Θέλεις να υλοποιήσεις το ψηφιακό σου κύκλωμα σε FPGA ή ASIC ολοκληρωμένο? Θα πρέπει να ξέρεις τα εξής για τα FPGAs: Έχουν μικρότερο κύκλο σχεδιασμού Δεν καθυστερούν κατά τη κατασκευή του σχεδίου που θα υλοποιήσουν (το τελικό προϊόν ετοιμάζεται πολύ γρήγορα) Αλλά είναι ποιο αργά, είναι μεγαλύτερα και καταναλώνουν περισσότερο ισχύ

20 ΕΠΙΠΕΔΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Προδιαγραφές συστήματος: Συναρτήσεις, λογική, κόστος Αρχιτεκτονική: Σχεδιασμός των λειτουργιών και μεγάλων λογικών συστημάτων Λογικής: Σχεδιασμός σε επίπεδο πύλης και καταχωρητών Κύκλωμα: Σχεδιασμός τρανζίστορ Φυσικός Σχεδιασμός

21 TOP-DOWN vs BOTTOM-UP ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Ο Top-Down σχεδιασμός δημιουργεί («σπάει») χαμηλότερα επίπεδα ξεκινώντας από τα υψηλοτέρα σχεδίασης Ο Bottom-Up σχεδιασμός ξεκινάει αντίθετα και δημιουργεί μεγαλύτερα επίπεδα ξεκινώντας από τα χαμηλότερα επίπεδα

22 TOP-DOWN KAI BOTTOM-UP ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ: ΤΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ? Στη πραγματικότητα ένας συνδυασμός Κάποιοι μηχανικοί ορίζουν την αρχιτεκτονική Άλλοι ξεκινούν από ψηλά και χωρίζουν την αρχιτεκτονική σε μονάδες και υπομονάδες Ενώ κάποιοι άλλοι ξεκινούν από χαμηλά και χτίζουν τις βασικές δομικές μονάδες του κυκλώματος

23 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΙΚΑ Απαιτείται μια γλώσσα περιγραφής υλικού ανεξάρτητη της τεχνολογίας και του κατασκευαστή Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη κατασκευή ASIC ολοκληρωμένου σε οποιαδήποτε τεχνολογία Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε FPGA Αυτή είναι η Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language (VHDL) Παρατήρηση: Η VHDL είναι προτυποποιημένη γλώσσα (IEEE 1076)

24 ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΜΕ ΤΙΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Παράλληλη εκτέλεση εντολών Περιγραφή συστήματος ως διασύνδεση διαφορετικών δομικών μονάδων-υποκυκλωμάτων (components) Προσδιορισμός καθυστερήσεων

25 Απορίες????