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Estilos de Implementación 1 Metodologías y Herramientas de CAD

MATERIAL COMPLEMENTARIO TEMA I

Estilos de Implementación de CIs digitales

1 Rabaey: “Digital Integrated Circuits: A design Perspective” Cap. 11 1a ed., Cap 8 2 a ed

* las imagenes se han tomado de la página web del libro: http://bwrc.eecs.berkeley.edu/IcBook/


ESTILOS DE IMPLEMENTACIÓN & METODOLOGIAS DE DISEÑO

Metodologías de Implementación de ASIC

CUSTOM SEMICUSTOM

BASADO EN CELDASBASADO EN ARRAYS

CELDAS ESTANDARESCELDAS COMPILADAS MACRO CELDAS PRE-DIFUNDIDOS:

Gate Arrays

PRE-CABLEADOS:(PLDs, FPGAs)

automatizaciónprestaciones, tiempo y coste de diseño, densidad de integración



CUSTOM. Concepto

En el diseño a medida (custom), el diseñador realiza el layout del circuito a partir de mode-los de transistores y reglas geométricas de layout proporcionadas por la foundry

única opción en los comienzos de la microelectrónica

diseño eléctrico y físico manual (no automatizado)

permite obtener las mejores prestaciones y densidades de integración

alto coste diseño y fabricación

mucho tiempo para la presencia del producto en el mercado

sólo esta justificado económicamente:• el coste no es criterio primario (determinadas aplicaciones)• el coste es amortizable por gran volumen (por ejemplo memorias y microprocesadores)• el bloque se diseña para reutilizarlo

su utilización se reduce cada vez más. Básicamente se reduce a partes muy críticas dealgunos diseños y librerías de celdas para determinados estilos semicustom



CUSTOM. Ejemplo

INTEL 4004



SEMICUSTOM. Concepto

la aproximación full-custom puede llegar a ser extremadamente costosa, las aproxima-ciones semicustom acortan y automatizan el proceso de diseño

se distinguen dos tipos de aproximaciones semicustom:

basada en celdas: redución esfuerzo de diseño

basada en arrays: redución del esfuerzo de diseño y coste-tiempo de fabricación

respecto a custom se reduce la densidad de integración y/o empeoran las prestaciones

el esfuerzo de diseño se reduce sobre la base del concepto de Librería de Celdas

• el diseño se restringe a utilizar “bloques lógicos” (celdas) de una determinada colec-ción (librería)

• el diseñador no tiene que ocuparse del diseño eléctrico, ni físico de estos bloques• el diseño es más suceptible de ser automatizado• es necesario que la librería de celdas esté bien caracterizada y documentada:

(modelos de comportamiento para poder validar el diseño a distintos niveles de abstracción)


SEMICUSTOM. Diseño basado en Celdas (i)

todos los pasos del proceso de fabricación son específicos de cada diseño (como en custom)

para su fabricación se requiere el layout completo y realizar todas las máscaraspuede mezclarse custom y semicustom basado en celdas

diseñar requiere determinar una red de celdas de la librería que implementen la funcional-idad deseada (flujo de diseño hasta diseño lógico) y definir la posición de cada celda ypatrones para las capas físicas con las que se van a establecer las conexiones (diseñofísico, layout). El layout de las celdas no es tarea del diseñador

para cada tecnología las celdas sólo necesitan ser diseñadas, caracterizadas y verificadasuna vez, amortizándose el coste de este proceso en numerosos diseños

Dependiendo de la granularidad de los elementos de la librería se distinguen

celdas estándares (standard cell): nivel lógico, librería discretaceldas compiladas: más flexibilidad, las celdas se pueden personalizar (tamaños ttros.)megaceldas: mas complejas, memorias, multiplicadores, PLAs...



SEMICUSTOM. Diseño basado en Celdas Estándares (i)

Fila

s de

Cel

das

MóduloFuncional

Celda Lógica

Canal de

Celda de “Feedthrough”Generación de layout (place&route) muy automati-zada

* las celdas de la librería están diseñadas de maneraque pueden apilarse:

misma alturapolarizaciones en el mismo metal y posicionesancho distinto según complejidad

* se colocan en filas dejando espacio para suconexionado (canal de routing)

* más de una capa de metalización (metales distintospueden cruzarse sin establecer un contacto)

* las celdas de “feedthrough” simplifican las inter-conexiones

* herramientas automáticas cada vez mejores

“routing”



SEMICUSTOM. Diseño basado en Celdas Estándares (ii)

una parte sustancial del área se destina al “routing” de la señal.

standard cell antiguo standard cell de nueva generación

siete capas de metalizaciones3 capas de metalización

diseños muy densos



Diseño basado en Arrays. predifundidos ó MPGAS (i)

Los diseños se realizan sobre un array de transistores (o celdas básicas) prefabricado

La interconexion de estos transistores produce distintas aplicaciones

Sólo los últimos pasos del proceso de fabricación son dependientes de la aplicación particular

El tiempo (~ días) y el coste de fabricación de un sistema particular se reducen

. las obleas con el array de transistores ya fabricado están disponibles

. solo es necesario realizar un número reducido de mascaras

. solo es necesario realizar un número reducido de pasos de fabricación.

Perdida de flexibilidad y posibilidad de tener área desocupada

Se diseña a partir de una librería de celdas lógicas precaracterizada

Tipos: con canal (channeled, gate array), sin canal (channeless, sea of gates)



Diseño basado en Arrays. predifundidos ii

celda base: cuatro NMOS, cuatro PMOS, railes de alimentación

celda personalizada: NOR de cuatro entradas

pozosdifusionespolisiliciometal alimenta-ciones

metales más superficiales definen la interconexión de los transistores

se deja espacio para conexionado

Gate array

celda

canalconexionad

oblea predifundida



Diseño basado en Arrays. Predifundidos (iii)

LSI Logic, LEA300Ktecnología: CMOS 0.6μm

Sea of gates arquitectura sin canales contactos personalizados mayor nivel de integración pueden incorporar memorias u

otros macros

capacidad: máximo de 300.000 puertas

MEMORIA

RANDOM LOGIC



Diseño basado en Arrays. Precableados ó Programables en Campo (FPGAs)

todos los pasos de fabricación son independientes de la aplicación particular

la aplicación particular la programa el diseñador, fuera de la foundry, en campo

adecuado aplicaciones con bajo volumen de producción, prototipos, sistemas reconfigu-

rables

disponibles como componentes de catálogo

peores prestaciones y menor densidad de diseño

tiempo de realización física muy reducido (minutos)

distintas tecnologías de programación

consisten en piezas de lógica programables, interconexiones programables, terminales I/O



Diseño Semicustom. IPs & reuso

El crecimiento muy rápido de la complejidad de los sistemas se traduce en una tendencia a no diseñar desde cero sino a reutilizar (reuse) bloques cada vez más complejos (más que reutilizar una librería de celdas, bloques de memoria o multiplicadores)

los bloques que se reutilizan (IPs de Intelectual Property) son distribuidos, en muchos casos, por compañías especializadas mediante el pago de licencias

el número y complejidad de estos IPs ha crecido espectacularmente en los últimos años

Ejemplos de IPs disponibles:

microprocesadores,microcontroladoresfiltros para aplicaciones de DSPinterfases de comunicacióncodificadores-decodificadores de video


FPGAs

FPGAs. Visión general.

Celda Lógica

Celda Lógica

Celda Lógica

Celda Lógica

Celda Lógica

Celda Lógica

Celda Lógica

Celda Lógica

Celda Lógica

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

Interconexiones

Interconexiones

Interconexiones

Inte

rcon

exio

nes

Inte

rcon

exio

nes

Inte

rcon

exio

nes

Inte

rcon

exio

nes

Interconexiones

Celdas lógicas programables. Las celdas lógicas son capaces de realizar la función de varias puertas lógicas típicas pero“pequeñas” en comparación con lo requerido en un diseño real

Las celdas lógicas se conectan usando interconexiones programables = segmentos de cables y conexiones programables* los cables se organizan en canales verticales y horizontales* cada canal contiene un conjunto de segmentos de cables de distinta longitud* son necesario distintos tipos de conexiones: celda lógica a cable, cable a cable, cable a I/O, señales de reloj

una conexión utiliza un con-junto determinado de cables

Arquitectura genérica típica


FPGAs. XILINX

Xilinx Spartan-II. Vision general

Además de los tres elementos básicos, la lógica, los recursos de interconexión y la circuitería I/O, los FPGAs actuales incorporan otros componentes como:

Bloques de memoria

DLLs para manejar el reloj


PLATAFORMAS DE IMPLEMENTACIÓN HÍBRIDAS

FPGA PLATAFORMA

Una FPGA plataforma es un chip que combina distintos tipos de componentes (programables)

PowerPC

Multiplicadores

Memoria

FPGA

FPGA basada en la arquitectura Virtex-II

CPUmemoria e interfases de memoriamultiplicadoresinterfases de comunicación de altavelocidad

VIRTEX-II PRO

En un FPGA que no disponga deestos elementos también puedenincorporarse implementándoloscon la lógica configurable (típica-mente usando un IP) pero ocupa-rían mucho y necesitaríamos unaFPGA muy grande para disponerde recursos adicionales

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