Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Εισαγωγή Γιώργος Δημητρακόπουλος Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Φθινόπωρο 2013 Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 1
O κόσμος των ηλεκτρονικών... Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 2
...και η τεράστια πρόοδος του Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 3
Ολοκληρωμένα κυκλωμάτα και συστήματα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 4
Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα από «μέσα» Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 5
Τα επίπεδα αφαίρεσης κάθε συστήματος Algorithms-Applications Operating System Συστήματα VLSI 8o εξάμηνο Instruction Set Architecture Microarchitecture Register-transfer-level Logic design Circuits Devices-Technology Αρχιτεκτονική ΗΥ Ολοκληρωμένα κυκλώματα 7o εξάμηνο Οι μηχανικοί ΗΥ προσπαθούν να συγκεράσουν τις απαιτήσεις των εφαρμογών και τους περιορισμούς που εισάγει η τεχνολογία Οι εφαρμογές ορίζουν τις αρχιτεκτονικές Η τεχνολογία μας λέει ποια αρχιτεκτονική υλοποιείται αποδοτικότερα Η σχεδίαση αντιμετωπίζεται σε επίπεδα (συνήθως από πάνω προς τα κάτω) ώστε να γνωρίζουμε κάθε στιγμή τη σίγουρα δουλεύει και τι οχι Οταν το ολοκληρωμένο κύκλωμα κατασκευαστεί δεν πρέπει να έχει λάθη Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 6
Τα εργαλεία της σχεδίασης Algorithms-Applications Operating System Instruction Set Architecture Microarchitecture Register-transfer-level Logic design Circuits Devices-Technology Κάθε ψηφιακό κύκλωμα σχεδιάζεται με 4 βασικά δομικά στοιχεία Λογικές πύλες για τους υπολογισμούς (λογικές πράξεις) Flip-flops για την αποθήκευση της κατάστασης των υπολογισμών Μνήμες για την αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων με δομημένο τρόπο Καλώδια για να συνδέσουμε τα παραπάνω στοιχεία Ολα αυτά υλοποιούνται εντός του ολοκληρωμένου κυκλωμάτος χρησιμποιώντας τρανζίστορ και καλώδια Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 7
Μικροφωτογραφίες από τρανζίστορ και καλώδια Καλώδια σε επίπεδα Τρανζίστορ Τα τρανζίστορ βρίσκονται στον «πάτο» του ολοκληρωμένου Πολλά επίπεδα καλωδίωσης (μέταλλα) συνδέουν τα τρανζίστορ μεταξύ τους Οι επαφές (contact/via) συνδέουν τρανζίστορ και καλώδια που ανήκουν σε διαφορετικά επίπεδα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 8
Βασικά βήματα κατασκευής ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 9
Ψηφιακά συστήματα Γκάμα συστημάτων με υψηλές απαιτήσεις σε ολοκληρωμένα κυκλώματα υψηλών επιδόσεων και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 10
Πως υλοποιούνται τελικά οι σχεδιασμοί μας; Κάθε ολοκληρωμένο κύκλωμα προσπαθεί να υλοποίησει έναν αλγόριθμο Μπορεί να πρόκειται και για ένα σύνθετο σύστημα Ποια είναι τα βήματα που ακολουθούμε στην πράξη και πως βοηθά το μάθημα; Η ροή σχεδίασης συνήθως τηρείται ευλαβεικά αλλιώς η πολυπλοκότητα θα καταστρέψει το τελικό αποτέλεσμα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 11
Μικρο-αρχιτεκτονική Σχεδίαση μικρο-αρχιτεκτονικής Επιλογή των βασικών μπλοκ του συστήματος Ιεραρχία και επικοινωνία μεταξύ των μονάδων Χοντρική εκτίμηση εμβαδού, επιδόσεων Περιγραφή μοντέλου λειτουργίας Γλώσσες περιγραφής υλικού Προσωμοίωση (simulation) του σχεδιασμού Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 12
Περιγραφή μικρο-αρχιτεκτονικής με γλώσσες περιγραφής υλικού Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 13
Μικροαρχιτεκτονική μέσω σύνθεσης υψηλού επιπέδου H μικροαρχιτεκτονική είτε επιλέγεται από το σχεδιαστή είτε προκύπτει μέσω σύνθεσης υψηλού επιπέδου (high-level synthesis) από αλγοριθμικές περιγραφές σε C++ (C to RTL flows) Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 14
Προσωμοίωση Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 15
Λογική σύνθεση Μετατροπή του μοντέλου σε γλώσσα περιγραφής υλικού σε κύκλωμα λογικών πυλών και flip-flops Βελτιστοποίηση των επιδόσεων Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 16
Φυσική δομή ολοκληρωμένου κυκλώματος Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 17
Χωροθέτηση και διασύνδεση του κυκλώματος Τα κυκλώματα λογικής (πύλες και flip-flops) μετασχηματίζονται σε φυσικό σχέδιο (layout) Φυσικό σχέδιο: Η γεωμετρία κάθε μάσκας κατασκευής του ολοκληρωμένου κυκλώματος Αυτοματοποιημένη τοποθέτηση στο χώρο και διασύνδεση με τα καλώδια Η ανθρώπινη παρέμβαση βοηθά στον κατάλληλο περιορισμό των αυτόματων εργαλείων Πλήρως ελεύθερη σχεδίαση από τον άνθρωπο (τρανζίστορ προς τρανζίστορ) γίνεται μόνο για εξαιρετικές επιδόσεις, στις μνήμες και στα αναλογικά κυκλώματα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 18
Η ροή σχεδίασης Σε αυτό το μάθημα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 19
Σχηματικό κυκλώματος Τα κυκλώματα σχεδιάζονται σε επίπεδα Τρανζίστορ, πύλες, μπλοκ Χρησιμοποιείται ιεραρχία Μπλοκς μέσα σε μπλοκς Επαναχρησιμοποίηση κοινών υπο-κυκλωμάτων Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 20
Προσωμοίωση κυκλώματος Αναγκαία σε κάθε φάση του σχεδιασμού Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 21
Φυσικό σχέδιο Δισδιάστατη αναπαράσταση ενός 3D κόσμου Τοποθέτηση των τρανζίστορ του σχηματικού Σύνδεση όλων των υπο-κυκλωμάτων Ιεραρχία στο φυσικού σχεδίου που ακολουθεί την ιεραρχία του σχηματικού Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 22
Αντιστοίχιση φυσικού σχεδίου στο σχηματικό Εξάγει το σχηματικό από το φυσικό σχέδιο αναλύοντας όλα τα πολύγωνα Συγκρίνει το αρχικό σχηματικό με αυτό που προέκυψε από την εξαγωγή Όταν υπάρχουν διαφορές προσπαθεί να εντοπίσει την περιοχή με το λάθος Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 23
Διαδικαστικά μαθήματος Όλες οι πληροφορίες που αφορούν στο μάθημα θα αναρτώνται στο site του μαθήματος στο eclass και μόνο εκεί Το μάθημα περιλαμβάνει: Διαλέξεις Εργαστηριακές ασκήσεις και ασκήσεις για το σπίτι (40% τελικού βαθμού) Πρόοδο (20% τελικού βαθμού) Τελική εξέταση (40% τελικού βαθμού) Επικοινωνία με το διδάσκοντα: Το γραφείο μού είναι στο κτήριο Β το 1.11 (1 ος όροφος) Ώρες γραφείου Κάθε Τετάρτη 09:00-13:00 Ηλεκτρονική διεύθυνση: dimitrak@ee.duth.gr Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 24
Βιβλιογραφία CMOS VLSI Design: A Circuits & Systems Perspective, Neil Weste, David Harris Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, David Hodges, Horace Jackson, Resve Saleh Digital Integrated Circuits: A Design Perspective, 2 nd Edition, Jan Rabaey, Borijove Nikolic, Anatha Chandrakashan (Πολύ καλή μετάφραση στα ελληνικά) Και πολλά άλλα ενδιαφέροντα παλαιότερα βιβλία...οι ενδιαφερόμενοι ας επικοινωνήσουν με το διδάσκοντα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 25
Προαπαιτούμενο υπόβαθρο Ψηφιακή σχεδίαση Λογικές πύλες Συνδιαστικά κυκλώματα Ακολουθιακά κυκλώματα Μνήμες Ηλεκτρικά κυκλώματα Εξοικίωση με φυσική σημασία έντασης ρεύματος, διαφοράς δυναμικού Ποιοτική ανάλυση των κυκλωμάτων? RC κυκλώματα πρώτης τάξης, βασικές ιδιότητες και ανάλυση τους Ηλεκτρονικά κυκλώματα Το MOSFET τρανζίστορ και οι βασικές ιδιότητες του? Spice? Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 26