Progettazione di circuiti integrati

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1 Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL a.a. 2003/04 Progettazione di circuiti integrati Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Dipartimento di Tecnologie dell Informazione Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.1/26

2 Introduzione La tecnologia microelettronica, basata sull utilizzo dei semiconduttori, ha subito un enorme evoluzione negli ultimi decenni. I circuiti VLSI (Very Large Scale Integration) realizzati con tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) costituiscono la tecnologia strategica per lo sviluppo dei sistemi digitali. Il continuo incremento del livello di integrazione dei dispositivi microelettronici ha permesso la realizzazione di sistemi di complessità crescente. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.2/26

3 Processori Intel chip anno transistor Pentium Pentium II Pentium III Pentium Pentium 4 13 nm Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.3/26

4 Intel 386 Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.4/26

5 Legge di Moore Osservazione di Moore (1965): ogni anno raddoppia la capacità elaborativa Previsione poi ritoccata in ogni 18 mesi e poi in ogni due anni. Parafrasata dal marketing Intel in raddoppia la velocità di elaborazione Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.5/26

6 Impiego di circuiti integrati Principali settori di mercato: Sistemi di elaborazione Telecomunicazioni Elettronica di consumo Automotive Automazione Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.6/26

7 Esigenze Il mercato dei circuiti integrati impone di: utilizzare le più avanzate tecnologie sub-micrometriche per mantenere elevate prestazioni ridurre costi di progetto e di fabbricazione per mantenersi competitivi sul mercato accorciare i tempi di progetto per rispettare il time-to-market del prodotto Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.7/26

8 Fasi di sviluppo di un circuito VLSI Progettazione: Modellizzazione Sintesi e ottimizzazione Validazione Fabbricazione: Fabbricazione delle maschere Fabbricazione dei wafer Fotolitografia Slicing del wafer Testing Packaging Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.8/26

9 Costi di produzione Incremento esponenziale dei macchinari litografici. ricerca: innovazione progettazione: più vie battute in parallelo produzione: diminuire gli scarti vendita: time-to-market critico Costo per transistor: trascurabile costa di più il package... Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.9/26

10 Tipi di circuiti integrati L elevato livello di integrazione implica: Aumento delle prestazioni Riduzione dei costi Aumento dell affidabilità Analisi valida nell ipotesi che i volumi di vendita del circuito siano abbastanza elevati da recuperare i costi di progetto e di fabbricazione. processori general purpose circuiti integrati dedicati o ASIC (Application Specific Integrated Circuit) DSP (Digital Signal Processor) circuiti integrati programmabili o FPGA (Field Programmable Gate Array) Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.10/26

11 Tempi di sviluppo La rapida evoluzione tecnologica del mercato microelettronico rende un circuito rapidamente obsoleto. Riduzione del time-to-market di un circuito o sistema digitale Riduzione dei tempi di sviluppo. Aumento del livello di qualità e affidabilità richiesto al prodotto. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.11/26

12 Principali requisiti del mercato Livello di integrazione Complessità progettuale Prestazioni Dissipazione di potenza Affidabilità Time-to-market Costi Volumi di produzione La metodologia e gli strumenti di sviluppo sono elementi critici Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.12/26

13 Livelli di astrazione Definiscono i livelli di dettaglio della descrizione Livello Sistema Livello Comportamentale o Behavioral Livello Architetturale o RT (Register Transfer) Livello Logico Livello Circuitale o Transistor Livello Geometrico o Layout Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.13/26

14 Livello Sistema Esempio: Sistema di elaborazione composto da processore, memoria e dispositivi di ingresso/uscita. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.14/26

15 Livello Comportamentale Rappresentazione algoritmica della funzionalità di un modulo o componente del sistema. descrizione algoritmica (e.g., Hardware Description Language) tabella di verità Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.15/26

16 Livello Architetturale Rappresentazione a livello di trasferimento tra registri. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.16/26

17 Livello Logico Rappresentazione a livello di componenti (ad esempio porte logiche elementari e registri) e loro interconnessione. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.17/26

18 Livello Circuitale Rappresentazione a livello di transistor e loro interconnessioni Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.18/26

19 Livello Layout Rappresentazione delle geometrie delle maschere tecnologiche relative a transistor, condensatori, resistenze e alle loro interconnessioni. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.19/26

20 Progettazione Modellizzazione: Hardware Description Language (HDL) Diagramma di Flusso Schematico o Schema Logico Grafo di Transizione degli Stati Sintesi e ottimizzazione: Raffinamento del modello Validazione Verifica di correttezza e completezza del modello originale. Verifica della consistenza dei modelli sviluppati durante le successive fasi di progetto. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.20/26

21 Criteri di ottimizzazione Prestazioni Ciclo di clock Ritardo o Latenza Throughput (per applicazioni pipeline) Area Consumo di potenza Testabilità Affidabilità Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.21/26

22 Criteri di ottimizzazione (2) Molto spesso occorre raggiungere un ottimizzazione congiunta secondo diversi criteri: Minimizzare l area sotto vincoli di ritardo Minimizzare il ritardo sotto vincoli di area Minimizzare il ritardo sotto vincoli di consumo di potenza Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.22/26

23 Metodologia di progetto top-down La progettazione di un sistema complesso può essere realizzata adottando una metodologia di progetto top-down realizzata attraverso un metodo di progetto incrementale (un flusso di operazioni viene ripetutamente applicato ad un progetto fino a raggiungere il più basso livello di astrazione) applicata come un ciclo di fasi di simulazione e sintesi a partire da una descrizione comportamentale del sistema Validazione della correttezza e completezza del modello iniziale ad alto livello (tramite simulazione) Raffinamento (aggiunta di maggiori dettagli) del modello Validazione delle consistenza dei modelli sviluppati durante le successive fasi di progetto Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.23/26

24 Vantaggi top-down Possibilità di gestire progetti più complessi. Riduzione dei tempi di progettazione. Riduzione degli errori (correttezza per costruzione). Possibilità di analisi trade-off costi/prestazioni. Ampliamento del numero di utenti alla progettazione. Possibilità di documentare il processo. Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.24/26

25 Linguaggi per creare HW Hardware Description Languages (HDLs) Verilog VHDL: VHSIC Hardware Description Language - VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.25/26

26 VHDL Nato negli anni 80 come progetto del U.S. Department of Defense. Version 7.2: prima versione pubblica del linguaggio disponibile nel IEEE Std : primo standard completo del linguaggio. IEEE Std : versione aggiornata del linguaggio rilasciata nel IEEE Std 1164: definisce un package standard per il tipo di dato MVL9 (Multi Valued Logic, 9 valori). Stefano Ferrari Università degli Studi di Milano Architetture e Reti logiche Esercitazioni VHDL Progettazione di circuiti integrati a.a. 2003/04 p.26/26