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Università di PadovaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 1
Tecnologie Implementative
su gentile concessione di
Andrea Neviani
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 2
Come è fatto un sistema digitale?
Scheda Circuito integrato VLSI
Sistema digitale
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 3
Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
C, P, DSP, ...Componenti programmabili
FPGA, CPLD
PROM, PAL, PLA
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
Gate Arrays
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 4
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 5
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Programmable Logic Array (PLA)
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Programmed PLA
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 8
Programmable Array Logic (PAL)
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 9
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 10
Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
C, P, DSP, ...Componenti programmabili
FPGA, CPLD
PROM, PAL, PLA
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
Gate Arrays
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 11
Tecnologie per realizzare un ASIC
Digital Circuit Implementation Approaches
Custom Semi-custom
Cell-Based Array-Based
Standard Cells Macro Cells Pre-diffused Pre-wired(FPGA)Compiled Cells (Gate Arrays)
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 12
Approccio Full-Custom - 1/2• Sintesi logica manuale
– da specifiche funzionali a rete di porte logiche– mappe di Karnaugh, metodo Quine-McKluskey, modelli di
Mealy e Moore per macchine a stati
• Sintesi circuitale manuale– da rete di porte logiche a rete di transistor– regole per la costruzione di circuiti statici (FCMOS, pass-
transistor …) e dinamici (np-CMOS, NORA, TSPC)
• Realizzazione del layout manuale– da rete di transitor a mappa delle maschere
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 13
Approccio Full-Custom - 2/2• Vantaggi
– prestazioni ottimizzate (velocità, consumi)
– uso di area minimizzato
• Svantaggi– tempi di progetto lunghi– impraticabile per circuiti molto
complessi– possibilità di riuso ridotte
Limitato ai blocchi critici di un sistema digitale
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 14
Tecnologie per realizzare un ASIC
Digital Circuit Implementation Approaches
Custom Semi-custom
Cell-Based Array-Based
Standard Cells Macro Cells Pre-diffused Pre-wired(FPGA)Compiled Cells (Gate Arrays)
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 15
Approccio Semi-Custom, Cell-Based
• Celle standard e macrocelle– libreria di celle elementari pre-
progettate e caratterizzate (celle standard) o celle complesse (macrocelle)
– circuito realizzato interconnettendo celle prese dalla libreria
– sintesi logica e layout realizzati con strumenti semi-automatici
FunctionalModule(RAM,multiplier, )
Row
s of
Cel
ls
Logic Cell
RoutingChannel
Feedthrough Cell
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 16
Esempio di cella standard
• Layout con altezza, VDD e GND uguale per tutte le celle
• modello delle prestazioni dinamiche:
tp=tpo+K·CL
ramo tpo (ns) K (ns/pF)
A1-O,LH 0.153 2.759
A1-O, HL 0.137 2.655
… … …
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 17
Esempio di cell-based ASIC 1/21) standard-cell block
2) high-performance, full-custom block
3) Intellectual Property (IP) block
4) SRAM core
5) P core
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 18
Esempio di cell-based ASIC 2/2
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 19
Approccio Semi-Custom, Gate-Array
rows of
cells
routing channel
uncommitted
VDD
GND
polysilicon
metal
possiblecontact
In1 In2 In3 In4
Out
riga di celle
canale per interconn.
cella vergine
cella programmata
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 20
Varianti di Gate-Arrays
Sea-of-gates (SOG) Embedded SOG
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 21
Confronto Celle Standard - Gate ArrayCelle Standard
prestazioni ottimizzate a livello di cella
sfruttamento completo delle risorse
strumenti automatici per la progettazione fase di sviluppo veloce
sviluppo della libreria costoso processo di fabbricazione
completo (come full-custom)
Gate Array matrice di celle uguale per
tutti costo suddiviso tra tutti i clienti
processo di fabbricazione ridotto (solo METAL)
strumenti automatici per la progettazione fase di sviluppo veloce
utilizzo incompleto delle celle prestazioni sub-ottime
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 22
Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
C, P, DSP, ...Componenti programmabili
FPGA, CPLD
PROM, PAL, PLA
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
Gate Arrays
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 23
Circuiti logici programmabili (PLD e FPGA)• Concetto base:
– insieme di celle e interconnessioni riconfigurabili via software– funzione logica svolta da ciascuna cella e collegamenti tra i
terminali delle celle determinati commutando interruttori programmabili
• Interruttori programmabili (Programming Technology):– a fusibili (programmabili una volta sola)– MOSFET con memorie non volatili (EPROM, EEPROM,
FLASH)– MOSFET con memorie SRAM
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 24
Esempio di FPGA - 1/2
CLB CLB
CLBCLB
switching matrixHorizontalroutingchannel
Vertical routing channel
Interconnect point
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 25
Esempio di FPGA - 2/2
R
Q1D
CE
R
Q2D
CE
F
G
F
G
F
G
R
D in
Clock
CE
F
G
A
B/Q1/Q2
C/Q1/Q2
D
A
B/Q1/Q2
C/Q1/Q2
D
E
Combinationa l logic Sto ra ge eleme nts
Any function of up to 4 variables
Any function of up to 4 variables
funzioni arbitrarie fino a 4 variabili
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 26
Pro e contro di PLD/FPGA si compra il componente finito e lo si programma sul campo,
senza ulteriori passi di fabbricazione progettazione assistita da strumenti semi-automatici come per
celle standard e gate array terminato il progetto, la programmazione del componente
richiede pochi secondi il componente può essere riprogrammato (tranne nel caso di
interruttori a fusibili) utilizzo incompleto di celle e interconnessioni prestazioni ridotte rispetto ai potenziali della tecnologia costi non competitivi per grandi numeri (20,000 ÷ 50,000 pezzi)
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 27
Quale tecnologia scegliere?
Cell-Based
Gate Arrays
FPGA/CPLD
prestazioni robustezza
rapidità di sviluppo riconfigurabilità
costi: dipendono dal volume di produzione richiesto
• bassi volumi: FPGA/CPLD
• alti volumi: Cell-Based
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom 28
Confronto dei costi