Hoofdstuk 4 Het belang van interconnecties

Hoofdstuk 4

Het belang van interconnecties

Hoofdstuk 4


Prof. dr. ir. Dirk Stroobandt

Academiejaar 2004-2005

Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -2-

Inhoud (deel 2)Inhoud (deel 2)


Het belang van ingebed geheugen

Het voorspellen van prestaties

Architecturen voor complexe systemen– Processorarchitecturen– Herconfigureerbare hardware– Hergebruik van IP-kernen

Interfaces en interface-ontwerp


Waarom zijn interconnecties belangrijk?


• RC-tijdsvertraging– Tijdsvertraging in

metaalverbindingen is evenredig met de weerstand en de capaciteit: ~ RC




• RC-tijdsvertraging– Tijdsvertraging in metaalverbindingen is evenredig met de

weerstand en de capaciteit: ~ RC– R ~ r L en C ~ c L (r en c intrinsieke waarden)– Hoe langer de draden, hoe groter de tijdsvertraging: ~ L2!– Typische waarde: Al, 130nm proces, 20mm: 10 ns

• Dit is 1 klokperiode van 100 MHz !

• Vroeger: poortvertraging

domineerde• Nu: interconnectievertraging

domineert

Techn. p i (1 mm)

1 m 20 ps 1 ps

100 nm 5 ps 30 ps

35 nm 2,5 ps 250 ps


Tijdsvertraging in verbindingen domineert

Tijdsvertraging in verbindingen domineert

Gate delay Interconnect delay (Al & SiO2) Interconnect delay (Cu & Low k)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

De

lay

(p

s)

650 500 350 250 180 130 100

Generation (nm)


Effecten van schalingEffecten van schaling

• Lokale verbindingen schalen mee, globale niet



• Lokale verbindingen schalen mee, globale niet, zelfs niet met buffers

Figuur: Dennis Sylvester



• Schalingsfactor s = 0,7• r neemt toe door het schalen van de breedte en

hoogte van verbindingen– Leidt tot hogere spanningsval– Leidt tot hogere tijdsvertraging

• c neemt toe doordat verbindingen dichter bij elkaar liggen– Leidt tot meer overspraak– Leidt tot hogere tijdsvertraging


Effecten van schaling op betrouwbaarheid

Effecten van schaling op betrouwbaarheid

• Elektromigratie– Grote stromen rukken ionen los van metaalbanen en voeren

die mee– Resultaat: open ketens en uitstulpingen– Vermindert sterk de levensduur van een IC– Beperken van de stromen door verbindingen– Bredere metaallagen


Andere invloeden: meerlaagstructuurAndere invloeden: meerlaagstructuur

• Meer interconnectielagen– Aantal verbindingen stijgt ~ G– Gemiddelde lengte L stijgt ~

Techn. #lagen

1 m 3

100 nm 8-9

35 nm 10

)5.0()(

)5.0()log(

)5.0(5.0

ppf

pG

pG

L

p



• Lagen in verschillende “tiers”



• Berekeningen meerlagen-

structuur nodig

Wirelength (mm)

Delay (ps) Wire width (m)

0 2 40 02 2 4Number of repeaters

Tier type 2

Tier type 1Tier type 0



• Uniforme en niet-uniforme lagen

6.31347.1053

Tier 2

Tier 1

Tier 0

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Number of layers per tier type

8.0251

Total



• Impact van vias: verschillende mogelijkheden:– Sai-Halasz (1995): elke laag blokkeert 15% van de lagen

eronder (afhankelijk van de interconnectieafstanden)

– Chong (1999): verlies aan oppervlakte is gelijk aan de oppervlakte nodig voor alle vias door de laag (2 per draad)

– Chen (1999): 2 modellen• Sparse vias: oppervlakte nodig voor vias (zoals bij Chong)

• Dense vias: voor elke X kanalen moet er 1 opgegeven worden voor vias, met voor X:

l

kpipN

ikiv

1

85,01

i

ii N

AXp



• Vergelijking:

– Stroobandt (2000): kans dat een verbinding geblokkeerd wordt door een via is monotoon stijgend met het aantal kanaalkruisingen en het totale aantal vias (via fill rate f)

1)1()(1 li flv

Sai-Halasz

Chong

Chen

Experiment

M4

M4

M3

M3

M2

M1

1 2 3 4 5 6030

40

50

60

70

Uti

lisa

tio

n f

acto

r (%

)

Via fill rate f (%)



• Eenvoudig model geeft overschatting maar houdt beter rekening met de lengte van de verbindingen:

Stroobandt

Chong

Chen

Experiment

M4

M3

50

30

40

50

60

70U

tili

sati

on

fac

tor

(%)

Via fill rate f (%)

20

10

0

80

10 15 20 25 30 35 40 45 50

M3M4


Andere invloeden: vermogendistributieAndere invloeden:

vermogendistributie

• Verbindingen moeten vooral veel stroom kunnen leveren

• Vermijden van vermogenpieken door grid met brede verbindingen of zelfs vermogenlagen

• Vermogenpads op bovenkant van de chip (area-I/O)


Andere invloeden: klokdistributie


• Snelle overgangen en vooral tegelijk (skew)

• Skew– Ruimtelijke variatie van het

kloksignaal door distributie over chip

– Globale vs. lokale skew

• Clock jitter– Temporele variatie van het

kloksignaal t.o.v. een referentie-overgang

– Lange-termijn vs. cyclus-cyclus-jitter

• Duty cycle-variatie– 50/50 ontwerpdoel




• Trend in klok-skew




• Blijft ongeveer 5% van klokperiode




• Oorzaken van klok-skew




• Trend klok-jitter














Andere invloeden: inductantieAndere invloeden: inductantie


Andere invloeden: overspraakAndere invloeden: overspraak

• Grotere capacitieve koppeling tussen verbindingen• Goed terugkeerpad is belangrijk om invloed lokaal

te houden

terugkeerpad

slachtoffer

dicht dicht

verver


Ontwerpruimte globale verbindingen


• Beperkt door overspraak, bandbreedte en ruimte




• Evolutie: het wordt steeds moeilijker


OplossingenOplossingen

• Verminderen van r en c– Cu i.p.v. Al (IBM 1997, verre van triviale procesverandering)

• Al sheet resistance: 3 cm

• Cu sheet resistance: 1,8 cm

• Effectieve sheet resistance door barrier: 2,2 cm

– Lagere r voor oxide (vroeger tussen 3 en 4, nu rond de 2,2 – 2,7)

oxr tAc 0



• Verminderen van r en c– Verbindingen schalen minder agressief– Verbindingen schalen niet in hoogte



• Invoeren van buffers(~ L2 wordt ~ L)

• Shielding

verbinding

shield shield


Oplossingen: 3-DOplossingen: 3-D


Oplossingen: 3-DOplossingen: 3-D

• Probleem: warmteverwijdering• Warmtegeleidingsvias nodig


Oplossingen: optische verbindingen


• Optische verbindingen komen steeds dichter bij chipniveau– Vroeger: Bord-naar-bord– Nu: Chip-naar-chip




• Optische verbindingen komen steeds dichter bij chipniveau– Toekomst: globale verbindingen op chip

• Voorbeeld: optische klokboom




• Om competitief te zijn moeten optische verbindingen volgende zaken bieden– Laag vermogen– Hoge snelheid– Kleine grootte– Lage-kost fotonische zenders en detectoren– Optische geleiders compatiebel met CMOS-technologie


Oplossingen: soldeerpadsOplossingen: soldeerpads

• Ook verbeteringen nodig voor verbindingen van en naar de chip

• Van wire bonding naar solder bumps• Nieuw: sea-of-leads

Documents

Hoofdstuk 4 Het belang van interconnecties