Οργάνωση της φυσικής δομής του ολοκληρωμένου κυκλώματος

Transcript

1 Οργάνωση της φυσικής δομής του ολοκληρωμένου κυκλώματος Γιώργος Δημητρακόπουλος Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Φθινόπωρο 2013 Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 1

2 Οργάνωση του φυσικού σχεδίου Αποφασίζουμε τις διαφορετικές περιοχές του ολοκληρωμένου κυκλώματος Ομοιόμορφα κυκλώματα datapath (ευέλικα ή hard macros) Γραμμές προσχεδιασμένων κελιών από πύλες (std cells) Περιοχές χωρίς φυσική ομοιομορφία Ομοιόμοφα κυκλωματα με κλειδωμένες διαστάσεις Μνήμες (Hard macros) Διαλέγουμε το μέγεθος, το σχήμα της κάθε περιοχής και τη σχετική θέση τους Προυπολογίζουμε πόσα καλώδια θα απαιτήσει η σύνδεση τους Επιλέγουμε το πλήθος και τη θέση των ΙΟs Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 2

3 Χωροθέτηση με το χέρι Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 3

4 Ενδιαφέρουσες λεπτομέρειες Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 4

5 Αυτόματη χωροθέτηση/επιλογή λόγου υψους-πλάτους Παρατηρείστε τα hard-macros 1 και 4 τα οποία δεν αλλάζουν ούτε σε μέγεθος ούτε σε σχήμα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 5

6 Επιπλέον επιλογές-περιορισμοί για τα μπλοκς Κατά τη χωροθέτηση δε διαλεγουμε μόνο το σχήμα των μονάδων και τη σχετική τους θέση αλλά πρέπει να κάνουμε μια έξυπνη επιλογή για τη θέση των εισόδων και εξόδων Από πια πλευρά θα έρθουν τα καλώδια των συνδέσεων Για τα hard macros η θέση των σημείων σύνδεσης είναι παγιωμένες και περιορίζουν επιλέον τις επιλογές μας Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 6

7 Κυκλώματα με ομοιόμορφο φυσικό σχέδιο Οι συνδέσεις στους ομοιόρφους σχεδιασμούς συμβαίνουν μόνο με την τοποθέτηση/επαφή των γειτονικών κελιών χωρίς επιπλέον καλώδια Η ομοιομορφία αυτή επιβάλλει αυστηρούς κανόνες που πρέπει να σεβαστούμε στο φυσικό σχέδιο των κυκλωμάτων Με το pitch-matching ελέγχουμε απόλυτα τις διαστάσεις των επιμέρους κομματιών βοηθώντας την απευθείας σύνδεση τους Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 7

8 Παράδειγμα ομοιόρφου φυσικού σχεδίου: Μνημες Οι μνήμες αποτελούνται από πολλά κελιά αποθήκευσης που σχηματίζουν ένα δισδιάστατο πίνακα Η συνδεσμολογία είναι απλή και η καλωδίωση οργωμένη με ομοιόμορφο τρόπο με στόχο τη μέγιστη δυνατή πυκνότητα αποθήκευσης Πόσα bits μπορώ να αποθηκεύσω σε ένα mm 2 To κύριο πρόβλημα με το εσωτερικό φυσικό σχέδιο των μνημών είναι να πετύχουμε το pitch matching των περιφερειακών μονάδων της μνήμς (αποκωδικοποιητές, πολυπλέκτες στήλης, ενισχυτές) με τις διαστάσεις των μικρών κελιών αποθήκευσης Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 8

9 Παράδειγμα ομοιόρφου φυσικού σχεδίου: Μονάδες δεδομένων Οι μονάδες δεδομένων (datapaths) είναι κυκλώματα που λειτουργούν σε μεγάλες λέξεις δεδομένων Η επικοινωνία είναι μόνο μεταξύ των μονάδων που δουλεύουν πάνω στον ίδιο αλγόριθμο (ή ακόμη και επεξεργαστή) Ισως μαζί με κάποιους επιπλέον πολυπλέκτες Συνήθως τα bits των δεδομένων και τα ενδιάμεσα αποτελέσματα κινούνται στη μιά κατεύθυνση και τα σήματα ελέγχου στην άλλη Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 9

10 Επιλογές στις μονάδες επεξεργασίας δεδομένων Η σειρά με την οποία θα χωροθετήσουμε στην μια κατεύθυνση τα κυκλώματα της μονάδας επεξεργασίας δεδομένων επηρεάζουμε: Το μήκος των καλώδίων (καθυστέρηση κυκλώματος, κατανάλωση ενέργειας) Το πλήθος των routing tracks που πρέπει να ξοδέψουμε Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 10

11 Παράδειγμα: Πλήθος routing tracks Η δομή του σχηματικού μπορεί να αλλάξει στο φυσικό σχέδιο προς όφελος της πυκνότητας Ποσα καλώδια έχω προς την ίδια κατεύθυνση; Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 11

12 Bitslicing Organize the same operation per bit Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 12

13 Γενική μεθοδολογία σχεδίασης Προσχεδιασμένα κελιά Στη γενική περίπτωση στηριζόμαστε σε μια βιβλιοθήκη από προσχεδιασμένα κελιά Γνωρίζουμε τη λειτουργία και τα χαρακτηριστικά του κάθε κελιού Μας νοιάζει η φυσική δομής τους Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 13

14 Χρειαζομαστε κανόνες για το layout των κελιών Μπορούμε να επιτρέψουμε μεγάλη ελευθερία στο φυσικό σχέδιο του κάθε κελιού και στην τοποθέτηση του στο ολοκληρωμένο Δεν υιοθετούμε αυτή την πρακτική γιατί αυξάνει η πολυπλοκότητα του προβλήματος Θυμηθείτε πως το κύκλωμα δεν έχει καμμιά δομή που μπορείτε να εκμεταλευτείτε Κάθε κελί της βιβλιοθήκης έχει το ίδιο ύψος και τοποθετείτε σε μια γραμμή (row-based standard cell layout) Τα κελιά επιτρέπεται να έχουν διαφορετικό πλάτος Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 14

15 Από τη μικροαρχιτεκτονική στο φυσικό σχέδιο Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 15

16 Αντιστοίχιση του λογικού κυκλώματος στα κελιά της βιβλιοθήκης Μετά τη λογική σύνθεση η περιγραφή του κυκλώματος έχει μετατραπει σε ένα κύκλωμα λογικών πυλών και flip-flops Η βιβλιοθήκη προσχεδιασμένων κελιών περιέχει μια πλειάδα από λογικές πύλες που εκτελούν και σύνθετες λογικές συναρτήσεις Πως αντιστοιχίζεται το αρχικό κύκλωμα λογικών πυλών στα κελιά της βιβλιοθήκης με τον καλύτερο δυνατό τρόπο; Κύκλωμα Κελιά βιβλιοθήκης Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 16

17 Βασικά κελιά σε μορφή AND-NOT Για να αυτοματοποιηθεί η αντιστοίχιση τα κελιά της βιβλιοθήκης περιγράφονται ως βασικά κυκλώματα AND- NOT πυλών διαφορετικού κόστους Το κόστος αφορά στο εμβαδό τους και στην καθυστέρηση τους Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 17

18 Παραδείγμα αντιστοίχισης Η αντιστοίχιση στα κελιά της βιβλιοθήκης προσχεδιασμένων κελιών γίνεται με την κάλυψη στο γράφο του κυκλώματος ολοένα και μεγαλύτερων υπο-γράφων που ταιριάζουν στην βασική τοπολογιά AND-NOT των βασικών κελιών Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 18

19 Τοποθέτηση κελιών στις γραμμές Σκοπός είναι το αρχικό κύκλωμα να τοποθετηθεί στις γραμμές του ολοκληρωμένου και να συνδεθεί αποτελεσματικά Η τοποθέτηση των κελιών επηρεάζει σημαντικά και την ευκολία της καλωδίωσης Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 19

20 Aυτό δρομολόγηση της καλωδίωσης Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 20

21 Στο εργαστήριο Επειδή θα έχουμε στη διάθεση μας μόνο 3 επίπεδα μετάλλου η καλωδίωση δε θα μπορέσει να γίνει πάνω από τα κελιά Συγκεκριμένος χώρος πρέπει να δεσμευθεί μόνο Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 21

22 Καλωδίωση δικτύου τροφοδοσίας Ολες οι γραμμές πρέπει να συνδεθούν με το VDD και το GND Οι γραμμές της τροφοδοσία μοιράζονται στο ολοκληρωμένο σε υψηλότερα επίπαδα μετάλλου και καταβαίνουν στε επίπεδο των τρανζίστορ για τ τροδοφοτήσουμε τις πύλες και τα flip-flop Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 22

23 Καλωδίωση ειδικών σημάτων: ρολόι Το δίκτυο διαμοίρασης του ρολογιού πρέπει να φτάσει όπου υπάρχει flip-flop στο κύκλωμα Διανύει ολό το ολοκληρωμένο κύκλωμα Στη διαδρομή διακόπτεται από inverters ώστε να εξομαλυνθεί η καθυστέρηση του κυκλώματος Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 23