thietke ic baigiang_02_gray

9/5/2011

1

Phần II:

Field Programmable Gate ArrayApplication Specific Integrated Circuit

• Tổng quan (1)• Kiến trúc (2)• Qui trình thiết kế FPGA, ASIC (1)• Giới thiệu công cụ thiết kế và triển khai (4)

1/4

1980s, VLSI xuất hiện� thiết kế IC theo nhu cầu.

Độ phứctạp tăng40% mỗinăm.Nhu cầuthiết kếtăng 15% mỗi năm Mức ñộ tích hợp của PCB trên mỗi die

2/4

Silicon, 2010

29email [email protected]

Mật ñộ(Gb/cm 2)

Tốc ñộ truyxuất (ns)

DRAM 8.5 10

DRAM (logic) 2.5 10

SRAM (cache) 0.3 1.5

Mật ñộ(Mgate/cm 2)

Năng lượng(W/cm 2)

Xung ñồng hồ(GHz)

Custom 25 54 3

Std. Cell 10 27 1.5

Gate 5 18 1

Single-Mask GA 2.5 12.5 0.7

FPGA 0.3 4.5 0.25

Die Area: 2.5x2.5 cmVoltage: 0.6 VTechnology:0.07 µm

3/4


Intel 4004 (1971) - thiết kế thủ công

9/5/2011

2

4/4

ASIC ra ñời so nhu cầu về các hoạt ñộng thiết kếngày càng tăng.

Hội nghị các vi mạch tùy biến theo khách hàngcủa IEEE ñưa ra các tài liệu hướng dẫn phát triểncustom IC.

Thiết kế = IC chuẩn + custom IC

Từ custom IC � thuật ngữ Application Specific IC


1/3

ASIC không ñồng nhất với custom IC.IC chuẩn: ROM, RAM, DRAM, Processor, etc.ASIC: chip cho ñồ chơi biết nói, chip cho 1 vệ tinh, chip cho bộ xử lý dưới dạng cell cùng với mạch logic.

Qui tắc phổ biến: “Nếu một IC xuất hiện trongsách tra cứu, thì ñó không phải là ASIC”.

ASIC, IC chuyên dụng.

Application Specific Standard Product.

1/2

ASIC ñem lại cơ hội sản xuất với số lượng lớn; các bộ phận ñược tiêu chuẩn hóa ñể nhanh chóngtrở thành sản phẩm thương mại.

Giá thành giảm theo số lượng.None Reducing Cost.Quy trình Cost Down trong các nhà máy.

Hiệu quả kinh tế trong thiết kếThực hiện prototype nhanh với số lượng thấp.Thiết kế theo nhu cầu, chuyên sâu, số lượng lớn.


2/2

Có công cụ CAD cần thiết ñể ñạt ñược hiệu quảtrong chiến lược thiết kế:

Thiết kế mức hệ thống: VHDLThiết kế mức vật lý, từ VHDL tới silicon, timing closure (Monterey, Magma, Synopsys, Cadence, Avant!)

Chiến lược thiết kế: Hierarchy - phân cấp; Regularity; Modularity - mô ñun; Locality.


9/5/2011

3

Thiết kế là một quá trình liên tục cân ñối các thamsố ñầu vào, ñể ñạt ñược hiệu quả mong ñợi.


• chức năng, thời gian, tốc ñộ, năng lượng

Hiệu năngHiệu năng

• chi phí sản xuất

Kích thước dieKích thước die

• lập lịch và chi phí nghiên cứu

Thời gian thiết kếThời gian thiết kế

• lập lịch, chi phí nguồn lực, chi phí sản xuất

Test và Stability TestTest và Stability Test


Ý tưởng thiết kế

Đặc tả thiết kế

Thiết kế hệ thống

HDL

Giả lập

Thiết kế mức cổng

Tổng hợp

Giả lập

Thư việncell

Layout

Kiểm tra Layout

Sản xuất

Kiểm thử chip

Sản phẩm

c := a + b;c := a + b;if (c == 1) then if (c == 1) then cfcf := 1;:= 1;

SimulinkSimulink

SynopsysSynopsys

CadenceCadence

NovelusNovelus


Mức thiết bị

Mức mạch

Mức cổng

Mức mô-ñunchức năng

Mức hệ thống

1/2


Ful

l Cus

tom

IC • Thiết kế rất

phứctạp, hàngtrăm man-year

• ~ 25M gate

• Phải sảnxuất với sốlượng cựclớn mới

Cel

l Bas

e IC • Các cell là

Flip-Flop, gate, hoặc bộ xửlý ñã ñượcñịnh nghĩatrước, ñượctái sử dụnglại,

• Sản xuấtvới sốlượng 100k sản phẩm/ năm

Pro

gram

able

Log

ic D

evic

e • Dựa trêncông nghệROM/PROM, cấu tạo chỉgồm các lớpcổngAND, OR vàmột số Flip Flop.

• Sản phẩmkhá ñơn giảnvới khoảng1K gate.

• Sản xuất ñơnlẻ ñược

Gat

e A

rray • Các trans tạo

sẵn thảnhmảng, vànhà thiết kếthực hiệnviệc tạo cácliên kết nốigiữa chúngbằng cáchsử dụng cácthư viện cell và CAD.

• Sản xuất ñơnlẻ ñược.

FPGAFPGACPLDCPLD

9/5/2011

4

2/2


FPGA, PLD, CPLD ñượcxếp vào nhómcác IC lập trìnhñược bởingười dùng

1/4


Phát sinh th ứ 1:Một khi chip ASIC càng mạnh thì thiết kế càngtinh vi, phức tạp, càng tiềm tàng những sai sótlớn. Các phần mềm hỗ trợ, giả lập chưa thực sựphản ánh hết ñược hoạt ñộng thực tế của hệthống.Để kiểm tra thiết kế, người kĩ sư buộc phải ñặtcác nhà sản xuất sản xuất chip ñơn lẻ và kiểmtra trên các ứng dụng, môi trường thực� tốnthời gian, và tiền bạc.� cần hệ nền kiểm thử phần cứng nhanh chóng.

2/4


Năm 1984, Ross Freeman, Bernard Vonderschmitt, ñồng sáng lập công ty Xillinx.Năm 1985, Xilinx ñưa ra dòng FPGA thương mạiñầu tiên, XC2064. Năm 2006, Freeman ñượcvinh danh tại National Inventors Hall of Fame vìsáng chế này.FPGA dựa trên các công nghệ nền tảng nhưPROM và PLD, nhưng với kiến trúc mới hiệuquả hơn.Các thiết kế IC ñược thử nghiệm prototype trêncác chip FPGA ngay lập tức� tiết kiệm thờigian và tiền bạc.

3/4


Phát sinh th ứ 2:Các nhà sản xuất lớn chỉ cung cấp các chip thông dụng trên thị trường, với số lượng lớn.� bỏ qua nhu cầu về các IC chuyên dụng có sốlượng thấp, nhưng tổng nhu cầu thì rất lớn.

Phát sinh th ứ 3:Ban ñầu, các chip lập trình ñược có giá thànhkhá cao và tốc ñộ chậm, chỉ sử dụng trong cácphòng thí nghiệm. Khi công nghệ sản xuất phát triển vượt bậc, thìcác chip lập trình ñược ngày càng mạnh và rẻ� ứng dụng ñại trà.

9/5/2011

5

4/4


Hệ quả: Chân tr ời mớiFPGA không chỉ là chip prototype trong cácphòng thí nghiệm, mà thực sự trở thành sảnphẩm thường mại ñại chúng.Thị trường phần cứng ñược cung cấp một dòngsản phẩm có thể thiết kế và sử dụng ñược ngay.Các công ty vừa nhỏ, các kỹ sư hoạt ñộng ñộclập, không phải lệ thuộc vào các IC của các nhàsản xuất lớn� tự do sáng tạo.

vsvs


CustomICCustomIC FPGAFPGA

Sản xuất nhỏ

Tối ưu tính năng

Chi phí chế tạo thấp

Sản xuất lớn

Tối ưu tốc ñộ, nănglượng…

Chi phí chế tạo lớn

1/2


Flexibility & Expandability

31%

Best Performance (thoughput

speed)15%

Lowest Cost17%Lowest

Power3%

Complete Solution

18%

Quality, Reliability

9%

Easiest to use4%

Other3%

Nguyên nhân s ử dụng chip ASIC prototyping

1/2


Hard IPHard IP

Soft IPSoft IP

Others

......

EDATools

System On Chip IP-based

Platform-based

ED

AIn

tegr

ator

Application specific integration platform

EDATools

Derivative

Hard IP

Others

Soft IP EDATools

9/5/2011

6


Intel Core i7 die

RCC, Reconfigurable Computing. Ví dụ: RAM, ROM, PLA, PAL.

FPGA với tính chất lập trình ñược cao, ưu việt, làñại diện của RCC.


Input: Địa chỉOutput: Giá trị

Giá trị = f(Địa chỉ)y = f(x)

thietke ic baigiang_02_gray

Documents