(Plan 98 Ingeniero Técnico en Informática de Sistemas · 11 Introducción La microelectrónica es la ciencia que estudia la integración de un gran número de dispositivos electrónicos

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Diseño de Circuitos Integrados I Diseño de Circuitos Integrados I (Plan 98 Ingeniero en Informática) (Plan 98 Ingeniero en Informática)

Diseño de Circuitos Integrados Diseño de Circuitos Integrados (Plan 98 Ingeniero Técnico en Informática de Sistemas(Plan 98 Ingeniero Técnico en Informática de Sistemas ))

José Manuel José Manuel MendíasMendías CuadrosCuadrosHortensia Mecha LópezHortensia Mecha López

Dpto. Arquitectura de Computadores y AutomáticaDpto. Arquitectura de Computadores y AutomáticaUniversidad Complutense de MadridUniversidad Complutense de Madrid

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Datos profesorDatos profesor

Despacho 003 Despacho 003 Edif. Jardín BotánicoEdif. Jardín Botánicoteltel:: +34 91 394 70 61,+34 91 394 70 61,fax:fax: +34 91 394 70 60 +34 91 394 70 60

ee--mail:mail: [email protected]@dacya.ucm.es

Página Web Página Web www.dacya.ucm.es/hortenwww.dacya.ucm.es/horten

TutoriasTutorias: : Miércoles y Jueves Miércoles y Jueves de 11:00 a 13:00 y de 15:00 a 16:00 de 11:00 a 13:00 y de 15:00 a 16:00

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Diseño de Circuitos IntegradosDiseño de Circuitos Integrados

Módulo I. Tecnología CMOSMódulo I. Tecnología CMOS ..Módulo II. Ingeniería de los Sistemas digitalesMódulo II. Ingeniería de los Sistemas digitales

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Módulo I Tecnología CMOSMódulo I Tecnología CMOS

Tema 1. Tecnologías de diseño Tema 1. Tecnologías de diseño microelectrónicomicroelectrónico..Tema 2. Diseño digital CMOS.Tema 2. Diseño digital CMOS.Tema 3. Diseño físico de circuitos CMOS.Tema 3. Diseño físico de circuitos CMOS.Tema 4. Diseño de elementos CMOS específicos.Tema 5. Cables.Tema 5. Cables.

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Módulo II Ingeniería de Sistemas DigitalesMódulo II Ingeniería de Sistemas Digitales

Tema 2.1 IntroducciónTema 2.1 IntroducciónTema 2.2 AlimentaciónTema 2.2 AlimentaciónTema 2.3 RuidoTema 2.3 RuidoTema 2.4 Señalización.Tema 2.4 Señalización.Tema 2.5 TemporizaciónTema 2.5 TemporizaciónTema 2.6 SincronizaciónTema 2.6 SincronizaciónTema 2.7 Diseño AsíncronoTema 2.7 Diseño Asíncrono

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BibliografíaBibliografíaBibliografía básica:Bibliografía básica:

W. J. Dally, J. W. W. J. Dally, J. W. PoultonPoulton, "Digital Systems Engineering". Cambridge , "Digital Systems Engineering". Cambridge University Press.University Press.M. J. S. Smith “M. J. S. Smith “AplicationAplication--Specific Integrated Circuits” Ed. Addison Specific Integrated Circuits” Ed. Addison WesleyWesleyJan M. Jan M. RabaeyRabaey, "Digital Integrated Circuits". Prentice Hall., "Digital Integrated Circuits". Prentice Hall.W. Wolf , "Modern VLSI Design. A system approach". Prentice HallW. Wolf , "Modern VLSI Design. A system approach". Prentice Hall..N. N. WesteWeste, K. , K. EshraghianEshraghian, "Principles of CMOS VLSI Design: A Systems , "Principles of CMOS VLSI Design: A Systems Perspective". Perspective". AddisonAddison WesleyWesley, 1993., 1993.

Bibliografía complementaria:Bibliografía complementaria:

Daniel D. Daniel D. GajskiGajski, "Principios de Diseño Digital". , "Principios de Diseño Digital". Prentice Hall, 1997Prentice Hall, 1997Giovanni De Giovanni De MicheliMicheli , "Synthesis and optimization of digital circuits". , "Synthesis and optimization of digital circuits". McGrawMcGraw––HillHillMorantMorant Martín, "Diseño y tecnología de circuitos integrados". Martín, "Diseño y tecnología de circuitos integrados". AddisonAddison--Wesley Wesley IberoamericanaIberoamericanaC. Mead, L. Conway, "Introduction to VLSI Systems". Addison WeslC. Mead, L. Conway, "Introduction to VLSI Systems". Addison Wesley, ey, 1980.1980.

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HerramientasHerramientas

DiseñoDiseño de de circuitoscircuitos–– MicrowinMicrowin. .

Simulación de circuitosSimulación de circuitos–– PSPICE.PSPICE.

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Diseño de Circuitos Integrados IDiseño de Circuitos Integrados I

Tema 1. Tecnologías de diseño Tema 1. Tecnologías de diseño microelectrónicomicroelectrónico

José Manuel José Manuel MendíasMendías CuadrosCuadrosHortensia Mecha LópezHortensia Mecha López

Dpto. Arquitectura de Computadores y AutomáticaDpto. Arquitectura de Computadores y AutomáticaUniversidad Complutense de MadridUniversidad Complutense de Madrid

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Módulo I Tecnología CMOSMódulo I Tecnología CMOS

Tema 1. Tecnologías de diseño Tema 1. Tecnologías de diseño microelectrónicomicroelectrónico..Tema 2. Diseño digital CMOS.Tema 2. Diseño digital CMOS.Tema 3. Diseño físico de circuitos CMOS.Tema 3. Diseño físico de circuitos CMOS.

Tema 4. Diseño de elementos CMOS específicos..Tema 5. Cables.Tema 5. Cables.

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–– 1.1 Introducción1.1 Introducción–– 1.2 Estilos de diseño 1.2 Estilos de diseño microelectrónicomicroelectrónico

Diseño fullDiseño full––custom. custom. Diseño Diseño semisemi––custom: gatecustom: gate––arrays, standard cells, FPGAs, arrays, standard cells, FPGAs, SOCs. SOCs.

–– 1.3 Ciclo de producción de un circuito integrado1.3 Ciclo de producción de un circuito integradoFabricación de un circuito integradoFabricación de un circuito integradoNiveles y dominios de descripciónNiveles y dominios de descripción

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IntroducciónIntroducciónLa La microelectrónicamicroelectrónica es la ciencia que estudia la integración de un gran es la ciencia que estudia la integración de un gran número de dispositivos electrónicos sobre un único sustrato, y enúmero de dispositivos electrónicos sobre un único sustrato, y es la base del s la base del desarrollo de los sistemas informáticos.desarrollo de los sistemas informáticos.Este proceso de integración se debe a la continua reducción de tEste proceso de integración se debe a la continua reducción de tamaño de los amaño de los dispositivos, y ha dado lugar a diferentes dispositivos, y ha dado lugar a diferentes familias tecnológicas:familias tecnológicas:

microprocesadores 16/32 bitsmicroprocesadores 16/32 bits110044~10~1066VLVLSI / ULSI SI / ULSI 2 2 µµmm‘‘8080microprocesadores 8 bitsmicroprocesadores 8 bits101033~10~1044LLSI (SI (5 5 µµmm))‘‘7070

sumadores, contadoressumadores, contadores101022~10~1033MMSISImedmed. ‘60. ‘60

circuitoscircuitosnº de nº de dispdisp/chip/chip

tecnologíatecnologíaAñosAños

microprocesadores 64 bitsmicroprocesadores 64 bits10107 7 ~10~1088GLGLSI SI 0.5 0.5 µµmm‘‘9090

puertas, puertas, flipflip--flopsflops..1010SSISSI ((20 20 µµmm))inicio ’60inicio ’60

transistor.transistor.11componentes discretoscomponentes discretos‘‘5050invención del transistorinvención del transistor19471947

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IntroducciónIntroducción

Mayor integración implica:Mayor integración implica:–– mayor nmayor núúmero de dispositivos/chip.mero de dispositivos/chip.–– menor nmenor núúmero de componentes/sistema.mero de componentes/sistema.–– mayor velocidad de cmayor velocidad de cáálculo.lculo.–– menor consumo.menor consumo.–– mayor esfuerzo en disemayor esfuerzo en diseñño.o.–– mayor esfuerzo en correccimayor esfuerzo en correccióón (menor posibilidad de reparacin (menor posibilidad de reparacióón).n).–– mayor coste de manufactura que si se compensa con un mayor mayor coste de manufactura que si se compensa con un mayor

volumen de ventas, se traduce en un menor coste/unidad.volumen de ventas, se traduce en un menor coste/unidad.

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IntroducciónIntroduccióntransistores por die(escala logarítmica)

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107

106

105

104

103

102

101

1

1K

4M

64K16K4K

1M256K

16M

40048080

8086

Intel386™ Intel486™

80286

64M

Pentium®

processor

MemoriaMicroprocesador

Pentium® Proprocessor

’70 ’75 ’80 ’85 ’90 ’95 ’00

ley de Moore (1964 - Fairchild), presidente de Intel:“el número de dispositivos/chip se duplica cada año”

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–– 1.1 1.1 IntroducciónIntroducción–– 1.2 1.2 EstilosEstilos de de diseñodiseño microelectrónicomicroelectrónico

DiseñoDiseño fullfull––custom. custom. DiseñoDiseño semisemi––custom: gatecustom: gate––arrays, standard cells, arrays, standard cells, FPGAsFPGAs, , SOCsSOCs..


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Estilos de diseño Estilos de diseño microelectrónicomicroelectrónicoLa viabilidad económica de un diseño La viabilidad económica de un diseño microelectrónicomicroelectrónico depende de varios depende de varios factores:factores:–– volumen de fabricaciónvolumen de fabricación–– número de circuitos correctos / número número de circuitos correctos / número

de circuitos fabricados (de circuitos fabricados (yieldyield))–– precio en mercadoprecio en mercado–– rendimiento del circuito rendimiento del circuito –– tiempo de salida al mercadotiempo de salida al mercado

basado en celdas

SemiCustom

basado en arrays

celdas estándar macroceldas arrays

predifundidosarrays

precableados

Full Custom

Estilos de diseño

Para poder adaptar el diseño físico de Para poder adaptar el diseño físico de un circuito a las diferentes un circuito a las diferentes necesidades del mercado, nacen los necesidades del mercado, nacen los llamados llamados estilos de diseñoestilos de diseño..

Estos se clasifican en atención al Estos se clasifican en atención al grado de libertad que tiene el grado de libertad que tiene el diseñador a la hora de decidir la diseñador a la hora de decidir la topología física del circuitotopología física del circuito

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Estilos de diseño Estilos de diseño microelectrónicomicroelectrónico

El diseñador goza de completa libertad durante el diseño El diseñador goza de completa libertad durante el diseño físico del circuitofísico del circuito–– no se utilizan elementos prediseñados ni prefabricados.no se utilizan elementos prediseñados ni prefabricados.–– no existen restricciones en el diseño de un bloque funcional.no existen restricciones en el diseño de un bloque funcional.–– no existen restricciones en la ubicación de los bloques funcionano existen restricciones en la ubicación de los bloques funcionales.les.–– no existen restricciones en el trazado de las interconexiones.no existen restricciones en el trazado de las interconexiones.–– cualquier aspecto de un circuito puede optimizarse.cualquier aspecto de un circuito puede optimizarse.–– se suele realizar jerárquicamente.se suele realizar jerárquicamente.–– fue muy popular en los primeros años, su uso disminuye día a díafue muy popular en los primeros años, su uso disminuye día a día..

VentajasVentajas::–– flexibilidad.flexibilidad.–– obtención de circuitos de alta calidad.obtención de circuitos de alta calidad.

Full custom

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DesventajasDesventajas::–– no es no es automatizableautomatizable..–– requiere un enorme esfuerzo y diseñadores con alta requiere un enorme esfuerzo y diseñadores con alta

especialización.especialización.–– tiempos largos de salida al mercado.tiempos largos de salida al mercado.–– si no se siguen unas ciertas reglas, no hay seguridad de que el si no se siguen unas ciertas reglas, no hay seguridad de que el

circuito funcione eléctricamente.circuito funcione eléctricamente.–– sólamentesólamente es rentable cuando los costes se amortizan con un gran es rentable cuando los costes se amortizan con un gran

volumen de producción (microprocesadores, memorias), con un volumen de producción (microprocesadores, memorias), con un tiempo de vida largo, o con un alto grado de reutilización tiempo de vida largo, o con un alto grado de reutilización (biblioteca de celdas).(biblioteca de celdas).

Full custom

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4004 de Intel

layout de un flip-flop CMOS

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El diseñador realiza tiene ciertas restricciones durante diseño El diseñador realiza tiene ciertas restricciones durante diseño físico del circuitofísico del circuito–– sólo pueden usar una colección de bloques funcionales primitivossólo pueden usar una colección de bloques funcionales primitivos

prediseñados o prefabricados.prediseñados o prefabricados.–– existen restricciones en la ubicación de los bloques funcionalesexisten restricciones en la ubicación de los bloques funcionales..–– existen restricciones en el trazado de las interconexiones.existen restricciones en el trazado de las interconexiones.–– sólo se pueden optimizar algunos aspectos del circuito.sólo se pueden optimizar algunos aspectos del circuito.

VentajasVentajas::–– es es automatizableautomatizable..–– el funcionamiento eléctrico del circuito está asegurado.el funcionamiento eléctrico del circuito está asegurado.–– reduce el esfuerzo de diseño y requiere diseñadores menos reduce el esfuerzo de diseño y requiere diseñadores menos

especializados.especializados.–– reduce el tiempo de salida al mercado.reduce el tiempo de salida al mercado.

Semi custom

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DesventajasDesventajas::–– se obtienen circuitos de rendimiento mediose obtienen circuitos de rendimiento medio

Semi custom

basado en celdas

SemiCustom

basado en arrays

celdas estándar macroceldas arrays

predifundidosarrays

precableados

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⌦Metodología de diseño:Todo diseño debe realizarse mediante la interconexión de un conjunto de bloques funcionales prediseñados denominados celdas.Las celdas (de entre 200 y 400 tipos diferentes) se agrupan en bibliotecas facilitadas por el fabricante y se actualizan cuando cambia la tecnología.Funcionalmente las celdas son simples (puerta lógicas, flip-flops).Geométricamente una celda es un rectángulo de altura fija y anchura variable que depende de la complejidad de funcionalidad implementada. Sus entradas y salidas están ubicadas en los extremos superior e inferior del rectángulo, y sus tomas de alimentación y tierra están ubicadas de manera que las líneas de distribución de alimentación y tierra se puedan trazar horizontalmente sobre ellas.

Celdas estándar (standard cells)

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Las celdas deben ubicarse en filas de igual altura, dejando entre las filas un espacio libre de anchura variable denominado canal.Las interconexiones entre celdas de la misma fila o entre celdas de filas adyacentes (conexiones cercanas) se trazan en el canal. Las restantes interconexiones (interconexiones lejanas) se realizan a través de celdas de paso o en otros niveles de metalización.

CELDA14

CELDA13

CELDA12

CELDA11

CELDA10

CELDA9

CELDA8

CELDA7

CELDA6

CELDA5

CELDA4

CELDA3

CELDA2

CELDA1GND

GND

GND

PWR

PWR

PWR

CANAL

CANAL

CELDAS

CELDAS

CELDAS

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⌦Características:Requiere el diseño full custom de las celdas y su caracterización.Enlaza fácilmente con la fase previa de diseño lógico mediante un proceso conocido como proyección tecnológica.

Celdas estándar (standard cells)

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Existen circuitos, llamados Existen circuitos, llamados macroceldasmacroceldas, cuyas implementaciones físicas tienen , cuyas implementaciones físicas tienen una estructura regular, fácilmente escalable y con un rendimientuna estructura regular, fácilmente escalable y con un rendimiento óptimo:o óptimo:

–– Multiplicadores, sumadores, Multiplicadores, sumadores, desplazadoresdesplazadores, RAM, ROM, PLA ..., RAM, ROM, PLA ...Su diseño puede ser fácilmente automatizado mediante los Su diseño puede ser fácilmente automatizado mediante los generadores de generadores de macroceldasmacroceldas, que a partir de los parámetros característicos del módulo, gen, que a partir de los parámetros característicos del módulo, generan su eran su diseño físico.diseño físico.

Vide

o-en

code

r

Data paths

Standardcells

SRAM

SRAM

Rou

ting

Ch a

nnel

Macro celdas (macro cells)

Los dataLos data--pathspaths suelen ser suelen ser caminos muy regulares pues caminos muy regulares pues

mantienen la misma estructura mantienen la misma estructura para los n bits. Por eso también para los n bits. Por eso también suelen utilizarse generadores suelen utilizarse generadores

para su diseñopara su diseño

En un circuito es típico encontrar una En un circuito es típico encontrar una mezcla de fullmezcla de full--customcustom, celdas estándar y , celdas estándar y

macroceldasmacroceldas

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Metodología de diseñoMetodología de diseño::–– Todo diseño debe realizarse mediante la interconexión de una colTodo diseño debe realizarse mediante la interconexión de una colección de ección de

celdas idénticas.celdas idénticas.–– Funcionalmente las celdas extremadamente simples (transistor, NAFuncionalmente las celdas extremadamente simples (transistor, NAND o ND o

NOR).NOR).–– Las celdas ya están prefabricadas y dispuestas regularmente sobrLas celdas ya están prefabricadas y dispuestas regularmente sobre el silicio.e el silicio.–– Durante la fase de metalización se decide el Durante la fase de metalización se decide el interconexionadointerconexionado e incluso la e incluso la

función de las celdas.función de las celdas.

Características:Características:–– Solamente la última fase de fabricación (metalización) es dependSolamente la última fase de fabricación (metalización) es dependiente iente

del diseño particular, por lo que las primeras fases son comunesdel diseño particular, por lo que las primeras fases son comunes y y tienen un gran volumen de producción.tienen un gran volumen de producción.

–– Siempre queda un porcentaje de celdas sin usar.Siempre queda un porcentaje de celdas sin usar.

Arrays Predifundidos

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GateGate arrayarray–– Cada celda está formada por un pequeño número de transistores cuCada celda está formada por un pequeño número de transistores cuyo yo

interconexionadointerconexionado local determina su función (este local determina su función (este interconexionadointerconexionado local local puede o no estar prefabricado).puede o no estar prefabricado).

–– Las celdas se disponen en filas dejando entre un espacio libre vLas celdas se disponen en filas dejando entre un espacio libre vertical y/o ertical y/o horizontal de tamaño fijo llamado canal.horizontal de tamaño fijo llamado canal.

–– Las interconexiones entre celdas se trazan por el canal.Las interconexiones entre celdas se trazan por el canal.Sea Sea ofof gatesgates–– Cada celda es un único transistor.Cada celda es un único transistor.–– Las celdas se disponen en filas sin dejar espacio libre entre elLas celdas se disponen en filas sin dejar espacio libre entre ellas.las.–– Las interconexiones se trazan sobre celdas sin utilidad, o usandLas interconexiones se trazan sobre celdas sin utilidad, o usando las propias o las propias

celdas como elemento de interconexión.celdas como elemento de interconexión.

Arrays Predifundidos

27


Esquema del layoutde un Gate array

GateGate ArraysArrays

Esquema de una celda básicaEsquema de una celda básica

28

EstilosEstilos de diseño de diseño microelectrónicomicroelectrónico

29


ArraysArrays de celdas. Metalizaciónde celdas. Metalización

pppnn n n n n

G G G

a b c

30


ArraysArrays de celdas. Metalización. Transistores en seriede celdas. Metalización. Transistores en serie

pppnn n n n n

G G G

a b c0v 5v

31


ArraysArrays de celdas. Metalización. Transistores en paralelode celdas. Metalización. Transistores en paralelo

pppnn n n n n

G G Ga b c

0v 5v

32


Posibles configuraciones después de la metalizaciónPosibles configuraciones después de la metalización

4-in

put N

OR

x0 x1

10 xxy +=

puerta NOR de 2 entradas

10 xxy ⋅=

VDD

GND

polysilicon

metal

posiblecontacto

In 1 In 2 In 3 In4

Out

33


Posibles configuraciones después de la metalizaciónPosibles configuraciones después de la metalización

x0 x1

puerta NOR de 2 entradas

10 xxy ⋅=

10 xxy +=x0x0

x1x1YY

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PUERTAPUERTANANDNAND

x0 x2

2*10 xxxy ∗=

210 xxxy ++=

x1x1x0x0

x2x2YY

x1

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LSI Logic LEA300K (0.6 mm CMOS)

Random Logic

MemorySubsystem

esquema del layoutde un Sea of Gates

Sea Sea ofof GatesGates

36


Circuitos prefabricados con funcionalidad programable: Circuitos prefabricados con funcionalidad programable: PLA, PLA, PROM, PAL, CPLD, FPGAPROM, PAL, CPLD, FPGAPLA (PLA (ArrayArray Lógico Programable)Lógico Programable)–– Un Un arrayarray de celdas AND programable (colección de de celdas AND programable (colección de mintérminosmintérminos

programable)programable)–– Un Un arrayarray de puertas OR programable (se pueden de puertas OR programable (se pueden reusarreusar términos)términos)

PAL (Lógica de PAL (Lógica de ArrayArray Programable)Programable)–– Un Un arrayarray de celdas AND programable (colección de de celdas AND programable (colección de mintérminosmintérminos

programable)programable)–– Un Un arrayarray de puertas OR no programablede puertas OR no programable

PROM (Memoria Programable de sólo Lectura)PROM (Memoria Programable de sólo Lectura)–– Un Un arrayarray de celdas AND no programable (están todos los de celdas AND no programable (están todos los mintérminosmintérminos))–– Un Un arrayarray de puertas OR programablede puertas OR programable

Arrays Precableados

37


PLA

PROM

PAL

CPLD

38


CPLD (Dispositivo de Lógica Programable Complejo)CPLD (Dispositivo de Lógica Programable Complejo)–– Se basa en la idea de las PLA pero a gran escala y con lógica adSe basa en la idea de las PLA pero a gran escala y con lógica adicionalicional

FPGA (FPGA (ArrayArray de puertas programable en laboratorio)de puertas programable en laboratorio)–– Un Un arrayarray de celdas regularmente dispuestas sobre el silicio cuya de celdas regularmente dispuestas sobre el silicio cuya

funcionalidad es programable, denominados funcionalidad es programable, denominados CLBsCLBs..–– Una colección de celdas de entrada/salida dispuestas perimetralmUna colección de celdas de entrada/salida dispuestas perimetralmente ente

cuyas características son programables, denominados cuyas características son programables, denominados IOBsIOBs–– Una colección de bloques de interconexión (Una colección de bloques de interconexión (PSMPSM), que bajo ), que bajo

programación permiten conectar programación permiten conectar CLBsCLBs e e IOBsIOBs entre sí.entre sí.–– CaracterísticasCaracterísticas::

El diseño físico y la fabricación es independiente del diseño paEl diseño físico y la fabricación es independiente del diseño particular.rticular.Diseños complejos pueden no caber en una FPGA.Diseños complejos pueden no caber en una FPGA.

39


Xilinx XC4025

FPGAsFPGAs

40


41


CLB CLB

CLBCLB

matriz de conmutación

Canal de rutadohorizontal

Canal de rutado vertical

punto de interconexión

PSMPSM

42


Estructura de un CLB Estructura de una LUT

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Metodología de diseñoMetodología de diseño para FPGA:para FPGA:–– Los diseños no se fabrican, sino que se realizan programando adeLos diseños no se fabrican, sino que se realizan programando adecuadamente cuadamente

los los CLBsCLBs, , IOBsIOBs y bloques de interconexión.y bloques de interconexión.–– Cada bloque almacena su configuración (programa) en una SRAM, EPCada bloque almacena su configuración (programa) en una SRAM, EPROM o ROM o

en en antifusiblesantifusibles. Dependiendo del método de almacenaje el diseño volcado . Dependiendo del método de almacenaje el diseño volcado sobre la FPGA será o no volátil.sobre la FPGA será o no volátil.

–– Funcionalmente las celdas son complejas y su grado de complejidaFuncionalmente las celdas son complejas y su grado de complejidad se d se denomina denomina granularidadgranularidad::

GranularidadGranularidad finafina ((FPGAsFPGAs): cualquier función de conmutación de 4~6 ): cualquier función de conmutación de 4~6 variables y varios variables y varios FFsFFs..GranularidadGranularidad gruesagruesa ((FIPSOCsFIPSOCs, sistemas , sistemas reconfigurablesreconfigurables): ): ALUsALUs y y varios registros. varios registros.

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Densidad funcionalRendimiento funcional

Flexibilidad en diseño físicoTiempo de diseño físicoTiempo de fabricaciónCoste baja producciónCoste alta producción

Tamaño de celdaTipo de celda

EmplazamientoInterconexionado

Variable

Variable

Variable

Variable

Muy Alta

Muy Alto

Muy Alta

Muy Alto

Medio

Muy Alto

Bajo

Altura Fija

Variable

En Filas

Variable

Alta

Alto

Alta

Medio

Medio

Alto

Bajo

Fijo

Fijo

Fijo

Variable

Alta

Alto

Media

Medio

Bajo

Alto

Bajo

Fijo

Programable

Fijo

Programable

Medio

Medio

Ninguna

Ninguno

Muy Bajo

Bajo

Muy Alto

Full-customBasado en

celdasArrays

PredifundidosArrays

Precableados

Fiabilidad eléctrica Media Alta Alta Muy Alta

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Dentro del diseño VLSI existen múltiples procesos Dentro del diseño VLSI existen múltiples procesos tecnológicos nacidos para hacer frente, junto a los estilos de tecnológicos nacidos para hacer frente, junto a los estilos de diseño, a las diferentes necesidades de un producto: diseño, a las diferentes necesidades de un producto:

–– velocidad, velocidad, –– consumo, consumo, –– complejidad de diseñocomplejidad de diseño ⌦ En la actualidad las más comunes son:

nMOS: velocidad media, consumo altoCMOS: velocidad media, consumo bajoBiCMOS: velocidad alta, consumo altoECL: velocidad alta, consumo muy altoGaAs: velocidad muy alta, consumo alto, dificultad de integración

46



DiseñoDiseño fullfull––custom. custom. DiseñoDiseño semisemi––custom:, standard cells, gatecustom:, standard cells, gate––arrays, arrays, FPGAsFPGAs, ,


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Ciclo de producción de un circuito Ciclo de producción de un circuito integradointegrado

Conceptualización

Especificación

Validación Refinamiento

Diseño

Validación Optimización

Fabricaciónprototipo

Encapsulado

Testeo

Evaluación

Fabricaciónmasiva

Encapsulado

Testeo

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ConceptualizaciónConceptualización: a partir de un concepto, concreción de los requisitos : a partir de un concepto, concreción de los requisitos funcionales y no funcionales del circuito que va a implementarlofuncionales y no funcionales del circuito que va a implementarlo..Especificación o modeladoEspecificación o modelado: formalización de los anteriores requisitos : formalización de los anteriores requisitos en una representación uniforme y procesable por máquina.en una representación uniforme y procesable por máquina.Validación de modelosValidación de modelos: comprobación de que se ha especificado : comprobación de que se ha especificado correctamente el concepto.correctamente el concepto.Refinamiento del modeloRefinamiento del modelo: mejora de la calidad de una especificación.: mejora de la calidad de una especificación.Diseño o síntesisDiseño o síntesis: transformación de la especificación en una : transformación de la especificación en una implementación.implementación.OptimizaciónOptimización: mejora de la calidad de una implementación.: mejora de la calidad de una implementación.Validación de implementaciónValidación de implementación: comprobación de que se ha sintetizado : comprobación de que se ha sintetizado correctamente la especificación (de aspectos funcionales y no correctamente la especificación (de aspectos funcionales y no funcionales).funcionales).

49


Fabricación:– preparación de la oblea (10 cm de diámetro).– deposición, implantación y difusión de materiales en la oblea según las

máscaras resultado del proceso de síntesis física.Encapsulado: – cortado de la oblea en dados (dies).– descartado de dados defectuosos por imperfecciones del substrato.– encapsulado del dado en un soporte plástico o cerámico.– soldado de los pads del dado con la patillas del chip.– sellado del chip.

Validación de la producción o testeo: comprobación que se ha fabricado correctamente la implementación (de aspectos funcionales y no funcionales).

50


Fabricación de un circuito integradoFabricación de un circuito integrado

51

Sección de un transistor


52


Sección de una interconexión

53


Oblea fabricada

Vista al microscropio electrónicode una porción de circuito integrado

54



DiseñoDiseño fullfull––custom. custom. DiseñoDiseño semisemi––custom: gatecustom: gate––arrays, standard cells, arrays, standard cells, FPGAsFPGAs, , SOCsSOCs..


55


funciones de transferencia, formas de ondaexpresiones de conmutación, FSMs

transferencias entre registrosISAs, algoritmos

transistorespuertas, flip-flops

ALU, MUX, registrosCPUs, subsistemas

póligonos, líneas

máscaras

celdas

nivel circuital

nivel lógico

nivel RT

nivel algorítmico

nivel sistema

dominioconductual

dominioestructural

dominiofísico

floorplan

Niveles y dominios de descripciónNiveles y dominios de descripción

Dominio conductualDominio conductual: un : un sistema es descrito por la sistema es descrito por la función que realiza.función que realiza.Domino estructuralDomino estructural: un : un sistema es descrito por la sistema es descrito por la interconexión de los interconexión de los módulos que lo forman módulos que lo forman ((netlistnetlist o esquemático).o esquemático).Domino físicoDomino físico: un sistema : un sistema es descrito por la ubicación es descrito por la ubicación espacial y propiedades de espacial y propiedades de los elementos reales que lo los elementos reales que lo constituyen.constituyen.

56


El nivel de detalle con que se realice cualquiera de las anterioEl nivel de detalle con que se realice cualquiera de las anteriores descripciones, se res descripciones, se denomina denomina nivel de abstracciónnivel de abstracción::

–– Nivel de circuito o de transistorNivel de circuito o de transistor: el tiempo es continuo, las variables son : el tiempo es continuo, las variables son magnitudes físicas continuas, no existen por separado las nocionmagnitudes físicas continuas, no existen por separado las nociones es alimentación y computación. alimentación y computación.

–– Nivel lógico o de puertasNivel lógico o de puertas: el tiempo es continuo, las variables toman valores : el tiempo es continuo, las variables toman valores booleanosbooleanos (0 ó 1), la alimentación se abstrae permaneciendo la noción de (0 ó 1), la alimentación se abstrae permaneciendo la noción de computación.computación.

–– Nivel RTNivel RT: el tiempo es discreto, las variables se agrupan en palabras qu: el tiempo es discreto, las variables se agrupan en palabras que e toman valores discretos. En la noción de computación se distingutoman valores discretos. En la noción de computación se distinguen las en las nociones de control y procesamiento de datos.nociones de control y procesamiento de datos.

–– Nivel algorítmicoNivel algorítmico: el tiempo desaparece apareciendo la noción de : el tiempo desaparece apareciendo la noción de dependencia, las variables se agrupan en estructuras abstractas,dependencia, las variables se agrupan en estructuras abstractas, el control está el control está estructurado.estructurado.

–– Nivel sistemaNivel sistema: desparecen los detalles de los cálculos concretos e interesan : desparecen los detalles de los cálculos concretos e interesan las las relaciones abstractas entre entre subsistemas, aparecen nocionesrelaciones abstractas entre entre subsistemas, aparecen nociones de de sincronización y protocolo.sincronización y protocolo.

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AsímismoAsímismo cada nivel de abstracción tiene sus propias medidas de cada nivel de abstracción tiene sus propias medidas de calidad:calidad:

–– Nivel de circuito o de transistorNivel de circuito o de transistor: tiempos de subida/bajada, : tiempos de subida/bajada, pendientes de transición, área real. pendientes de transición, área real.

–– Nivel lógicoNivel lógico: tiempos de conmutación, incertidumbre, : tiempos de conmutación, incertidumbre, skewskew, área , área equivalente.equivalente.

–– Nivel RTNivel RT: tiempo de ciclo, margen, puertas equivalentes.: tiempo de ciclo, margen, puertas equivalentes.

–– Nivel algorítmicoNivel algorítmico: latencia, cadencia de datos, número de módulos.: latencia, cadencia de datos, número de módulos.

–– Nivel sistemaNivel sistema: ancho de banda, MFLOPS.: ancho de banda, MFLOPS.

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dominioconductual

dominioestructural

dominiofísico

Síntesis

Análisis

Generación

Extracción

RefinamientoAbstracción

Optimización

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Las transiciones entre cada uno de los dominios y niveles de absLas transiciones entre cada uno de los dominios y niveles de abstracción tienen los tracción tienen los siguientes nombres:siguientes nombres:–– SíntesisSíntesis: todo proceso que genere una : todo proceso que genere una netlistnetlist a partir una descripción de su a partir una descripción de su

conducta (transición del dominio conductual al estructural).conducta (transición del dominio conductual al estructural).–– AnálisisAnálisis: todo proceso que permita obtener la conducta de una : todo proceso que permita obtener la conducta de una netlistnetlist

(transición del dominio estructural al conductual).(transición del dominio estructural al conductual).–– OptimizaciónOptimización: todo proceso que modifique una descripción, sin cambiar de : todo proceso que modifique una descripción, sin cambiar de

dominio ni de nivel de abstracción de manera que presente un rendominio ni de nivel de abstracción de manera que presente un rendimiento dimiento distinto.distinto.

–– GeneraciónGeneración: todo proceso que genere una estructura física a partir de una : todo proceso que genere una estructura física a partir de una netlistnetlist (transición del dominio estructural al físico).(transición del dominio estructural al físico).

–– ExtracciónExtracción: todo proceso que permita obtener la : todo proceso que permita obtener la netlistnetlist de una estructura de una estructura física (transición del dominio físico al estructural).física (transición del dominio físico al estructural).

–– RefinamientoRefinamiento: todo proceso que disminuya el nivel de abstracción de una : todo proceso que disminuya el nivel de abstracción de una descripción sin cambiar de dominio.descripción sin cambiar de dominio.

–– AbstracciónAbstracción: todo proceso que aumente el nivel de abstracción de una : todo proceso que aumente el nivel de abstracción de una descripción sin cambiar de dominio.descripción sin cambiar de dominio.

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(Plan 98 Ingeniero Técnico en Informática de Sistemas · 11 Introducción La microelectrónica es la ciencia que estudia la integración de un gran número de dispositivos electrónicos