Università di Padova
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Tecnologie Implementative
su gentile concessione di
Andrea Neviani
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Come è fatto un sistema digitale?
Sistema digitale
Scheda
Circuito integrato VLSI
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Università di Padova
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Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
mC, mP, DSP, ...
PROM, PAL, PLA
Componenti
programmabili
FPGA, CPLD
Gate Arrays
ASIC (Application Specific
Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Programmable Logic Array (PLA)
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Programmed PLA
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Programmable Array Logic (PAL)
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
mC, mP, DSP, ...
PROM, PAL, PLA
Componenti
programmabili
FPGA, CPLD
Gate Arrays
ASIC (Application Specific
Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Tecnologie per realizzare un ASIC
Digital Circuit Implementation Approaches
Semi-custom
Custom
Cell-Based
Standard Cells
Compiled Cells
Macro Cells
Array-Based
Pre-diffused
(Gate Arrays)
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
Pre-wired
(FPGA)
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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, passtransistor …) e dinamici (np-CMOS, NORA, TSPC)
• Realizzazione del layout manuale
– da rete di transitor a mappa delle maschere
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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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Tecnologie per realizzare un ASIC
Digital Circuit Implementation Approaches
Semi-custom
Custom
Cell-Based
Standard Cells
Compiled Cells
Macro Cells
Array-Based
Pre-diffused
(Gate Arrays)
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
Pre-wired
(FPGA)
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Approccio Semi-Custom, Cell-Based
• Celle standard e macrocelle
Rows of Cells
– libreria di celle elementari preprogettate e caratterizzate (celle
standard) o celle complesse
(macrocelle)
– circuito realizzato
interconnettendo celle prese
dalla libreria
– sintesi logica e layout realizzati
con strumenti semi-automatici
Feedthrough Cell
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Logic Cell
Routing
Channel
Functional
Module
(RAM,
multiplier, )
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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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Esempio di cell-based ASIC 1/2
1) standard-cell block
2) high-performance, fullcustom block
3) Intellectual Property
(IP) block
4) SRAM core
5) mP core
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Esempio di cell-based ASIC 2/2
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Approccio Semi-Custom, Gate-Array
polysilicon
VD D
rows of
riga di
uncommitted
cells
celle
metal
cella vergine
possible
contact
GND
In1 In 2
In3 In4
canale per
routing
channel
interconn.
cella
programmata
Out
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Varianti di Gate-Arrays
Sea-of-gates (SOG)
Embedded SOG
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Confronto Celle Standard - Gate Array
Celle 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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Come si realizza un sistema digitale?
Componenti a catalogo
mC, mP, DSP, ...
PROM, PAL, PLA
Componenti
programmabili
FPGA, CPLD
Gate Arrays
ASIC (Application Specific
Integrated Circuit)
Celle Standard
Full-custom
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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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Esempio di FPGA - 1/2
CLB
CLB
switching matrix
Horizontal
routing
channel
Interconnect point
CLB
CLB
Vertical routing channel
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Esempio di FPGA - 2/2
funzioni arbitrarie fino
a 4 variabili
Combinational logic
Storage elements
R
A
B/Q1/Q2
Any function of up to
4 variables
C/Q1/Q2
Din
R
F
F
G
CE
D
A
B/Q1/Q2
Any function of up to
4 variables
F
R
G
C/Q1/Q2
F
D
G
E
D Q1
D Q2
CE
G
Clock
CE
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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)
Progettazione di Circuiti Integrati Digitali Semi-Custom
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Quale tecnologia scegliere?
prestazioni
robustezza
Cell-Based
Gate Arrays
FPGA/CPLD
rapidità di sviluppo
riconfigurabilità
costi: dipendono dal volume di produzione richiesto
• bassi volumi: FPGA/CPLD
• alti volumi: Cell-Based
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Confronto dei costi
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