Upload
dothu
View
243
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
1VLSI Design: Introduction
VLSI DesignIntroduction
Frank Sill TorresUniversidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Brazil
2VLSI Design: Introduction
Estudo de projeto avançado de circuitos integradosem muito larga escala (VLSI)
Assuntos:– Fluxo de projeto
– Tecnologia de Processo CMOS e transistor MOS
– Métodos de Projeto
– Atraso, Consumo
– Logica combinatória e sequencial
– Interconexões, memória, somadores
– Confiabilidade e Testes
– Ferramentas
Objetivos do curso
3VLSI Design: Introduction
N. Weste, D. Harris: “CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective (4th Edition)”, Addison Wesley.
C. Saint, J. Saint: “IC Layout Basics: A Practical Guide”, McGraw-Hill, 2001;
C. Saint, J. Saint: “IC Mask Design: Essential Layout Techniques”, McGraw-Hill, 2002.
Bibliografia Básica
4VLSI Design: Introduction
Pergunte, se você não entende alguma coisa!– Baseado no assunto
– Baseado na articulação
Pagina da disciplina: minhaufmg.br (ambiente moodle)
Para mais perguntas e/ou pessoas tímidas:– E-mail: [email protected]
Até 31/Mar/18
– Tel.: 3409-3454
– Escritório: EE - Bloco I - sala 2630
Comunicação
5VLSI Design: Introduction
Aulas expositivas– Slides (pdf) no ambiente Moodle
Apresentação de exemplos em sala de aula
Material para atividades em laboratório no ambiente Moodle
Desenvolvimento de projetos em laboratório
5
Dinâmica do curso
6VLSI Design: Introduction
Dia Horário Sala19/03 (2ª) 16h00 – 19h30 241921/03 (4ª) 13h00 – 19h30 2418B26/03 (2ª) 16h00 – 19h30 241928/03 (4ª) 16h00 – 19h30 2418B
Aulas Presenciais
Vídeo aulas
– Cada 2 semanas uma aula
– 01/Abril – 30/Junho
– Moodle
Laboratório
– (provavelmente) pelo servidor e ssh
7VLSI Design: Introduction
01 prova + nota de projeto final (PRO) + Atividades moodle (MOO) Prova: 40 pontos Projeto Final: 40 pontos Atividades moodle: 20 pontos Consulte as datas das provas no documento com o planejamento
das aulas
Nota final (NF):
Avaliação
1NF = P PRO MOO+ +
7
9VLSI Design: Introduction
Áreas da Microeletrônica
Os três áreas principais da microeletrônica
– Processos e dispositivos
– Circuitos
– Sistemas
Visão Geral
10VLSI Design: Introduction
Áreas da Microeletrônica
Todas as atividades relacionadas à fabricaçãode circuitos integrados (Litografia, Etching, IonImplantation,…)
Projeto de novos dispositivos transistores (Bulk-CMOS, SOI, FinFet,…)
Trabalhos com matérias para semicondutores
Sistemas eletromecânicos micrométricos (MEMS), por exemplo:
– Microfone do iPhone5
– Microlentes
– Micromotores
Processos/Dispositivos
Catraca como MEMS(memx.com)
Sala limpa - UFMG
11VLSI Design: Introduction
Áreas da Microeletrônica
Projeto de circuitos integrados analógicos
Projeto de portas lógicas
Projeto de sensores e atuadoresintegrados
Projeto de circuitos mistos(conversores, ...)
Projeto de circuitos de radiofrequência (RF)
Circuitos
Pixel ativo para câmera digital (OptMAlab)
high-Vth/Tox
low-Vth/Tox
Porta lógica com baixo consumo (OptMA/ART)
12VLSI Design: Introduction
Áreas da Microeletrônica
Projeto de sistemas integrados
– Sistemas integrados de aplicação específica (ASIC)
– Processadores
– Sistemas em Chip (SoC)
– Digital / Análogo / Sinal-Misto
Projeto de blocos de propriedade intelectual (IP)
Projetos com FPGAs
Sistemas
Copyright: ELV.de
13VLSI Design: Introduction
Quiz
Which of the following areas doesn’t belong to microelectronics?A. Processes and Devices
B. Integrated Systems
C. Operating System
D. Circuits
What is a mixed-signal design?A. Mixture of hardware and software
B. Mixture of analog and digital blocks in the same design
C. Mixture of transistors and MEMS devices
D. Mixture of FPGA and ASIC
14VLSI Design: Introduction
Quiz
Which of the following areas doesn’t belong to microelectronics?A. Processes and Devices
B. Integrated Systems
C. Operating System
D. Circuits
What is a mixed-signal design?A. Mixture of hardware and software
B. Mixture of analog and digital blocks in the same design
C. Mixture of transistors and MEMS devices
D. Mixture of FPGA and ASIC
15VLSI Design: Introduction
Tendências
16VLSI Design: Introduction
Tendências
Predição anunciada por Gordon Moore em 1965
Tecnologia de semicondutores vão dobrar a efetividade cada 18 meses (corr. para 24)
Níveis de Integração:
– SSI: 10 células
– MSI: 1000 células
– LSI: 10.000 células
– VLSI: > 10k células
A Lei de Moore
16151413121110987654321
Log2
ofth
eN
umbe
rof
Com
pone
nts
Per
Inte
grat
edFu
nctio
n
Year
1959
1960
1961
1962
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
YearFonte: Moore, 1965
Log 2
de n
umer
o de
tran
sisto
res
para
cad
a fu
nção
inte
grad
a
17VLSI Design: Introduction
TendênciasA Lei de Moore
Source: Moore, ISSCC 2003
18VLSI Design: Introduction
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
# Tr
ansi
stor
s (M
ill.)
Year
Sandy Bridge995 Mill.
Northwood55 Mill.
Prescott125 Mill.
Yonah151 Mill.
Wolfdale410 Mill.
Ivy Bridge1860 Mill.
Broadwell1300 Mill.
TendênciasTecnologias Reais
19VLSI Design: Introduction
Tendências
1 m10 cm1 cm1 mm100 µm10 µm100 nm
„22 nm“-TransistorFonte: Intel
Source: „Spektrum der Wissenschaften“
Dimensões atuais
20VLSI Design: Introduction
Tendências
Fábrica:
– Fabricação, encapsulamento e teste
– Muito caro (p.e. Intel 14nm - USD 5 Billion, GlobalFoundries28nm – USD 4.6 Billion, fonte: Wikipedia)
Fabricação
CEITEC S.A., Rio Grande do Sul(Work in Progress, 0.6 um)
21VLSI Design: Introduction
Passado– Projetistas e fábrica juntos
– Propriedade intelectual da fábrica
Presente– Projetistas e fábrica separados
– Propriedade intelectual fica com projetistas
TendênciaProjeto de Sistemas Integrados no Presente
22VLSI Design: Introduction
Quiz
What means the Moore’s law?A. The size of a processor increases every 24 months
B. The size of a transistor increases every 24 months
C. The amount of transistor per area increases every 24 months
D. The price of a processor decreases every 24 months
What is a fundamental change in the microelectronics world in the last decadesA. Today, ICs are designed, fabricated and tested at the same place
B. Today, each IC is designed, fabricated and tested in different places
C. Today, ICs can be designed, fabricated and tested in different places
D. Today, IC designer don’t have to be located in the same country as the IC fabrication facility.
23VLSI Design: Introduction
Quiz
What means the Moore’s law?A. The size of a processor increases every 24 months
B. The size of a transistor increases every 24 months
C. The amount of transistor per area increases every 24 months
D. The price of a processor decreases every 24 months
What is a fundamental change in the microelectronics world in the last decadesA. Today, ICs are designed, fabricated and tested at the same place
B. Today, each IC is designed, fabricated and tested in different places
C. Today, ICs can be designed, fabricated and tested in different places
D. Today, IC designer don’t have to be located in the same country as the IC fabrication facility.
24VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip
25VLSI Design: Introduction
Projetos Digitais Descrição do projeto com
linguagens de descrição (HDL)
Elementos menor: portas lógicas
Aplicações:– Processadores
– Conversores de áudio
– Controladores
Projeto de Chip
Projetos Analógicos Desenho de circuito como
esquemático e layout
Elementos menor: transistores, capacitores, resistores, ...
Aplicações:– Amplificadores
– Espelhos de corrente
– Sensores
26VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - DigitalStandard Designflow
26
Textual description of the design
Mapping of the design onto logic cells
Floorplanning
Placement
Routing
Synthesis
VHDL, SystemC …
Planing of basic structure of the chip (Size, I/O, power supply, blocks, …)
Placement of logic cell on chip
Wiring of logic cells
Production
27VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - Digital
Up to 35 years ago: chips developed on drawing board
End of 80‘s: Hardware Description Languages (HDL)
– Verilog - 1985
– VHDL - 1987
Newest developments
– Object orientated approach
– SystemC
Task Description
28VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - Digital
Called: Synthesis Conversion of high-level description into logic cells
Happens automatic by special tools
Representation with logic cells
29VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - DigitalSynthesis – Tool (Synopsys DesignVision)
30VLSI Design: Introduction
Called: Floorplanning Planning of basic structure of the chip (Size, Inputs/Outputs,
power supply, blocks)
What decides the chip size?
BLOCK-limitedPAD-limited CORE-limited
Projeto de Chip - DigitalDetermination of Chip Sizes
31VLSI Design: Introduction
Control output
Overviewwindow
Menu
Coordinates
Tools
Layerselection
Projeto de Chip - DigitalFloorplanning – Tool (Cadence Second Encounter)
32VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - Digital
Placement of logic cells
Usually: Standard cells− Uniform cell height
− Different widths
Tool support
Copyright: Yu, UC Davies
Placement
Copyright: Weste, 2011
33VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - DigitalPlacement - Example
Copyright: Yu, UC Davies
34VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - Digital
Placing of wires that connect logic cells
Two Phases:
– Global Routing
– Detailed Routing
Tool support
Routing
35VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - DigitalRouting - Examples
Copyright: Yu, UC Davies
Ref.: Wikipedia
36VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip – AnalógicoBiblioteca
Bibliotecas
Célula numa biblioteca
Imagens das células
37VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - Analógico
Biblioteca
Imagem de símbolo
Imagem de esquemática
Célula
Estrutura da Biblioteca
38VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - AnalógicoEsquemáticos - Janela de Projeto
Controlar e salvar
ZoomMover objeto
Copiar objetoRemover
Criar fio
PropriedadesCriar instância
Desfazer
Criar barramentoCriar nome de fio
Criar conexãoOpções de CMD
Refazer
Salvar
39VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - AnalógicoConteúdo de um Esquemático
fio
Instância de um componente
Conexão (pin)
Nome e parâmetros de uma instância
40VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - AnalógicoTestbench
Circuito a ser testado
Geração de Sinais de
teste
Carga na saída
41VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - AnalógicoSimulação
Menu
Selecionar o design
Análises
Modificar variáveis
Dados de saídaRemoverCriar o netlist e simular
SimularMostrar os resultados
Modo de desenharLinha de estado
Campo de dados de saída
Campo de tipos de simulação
Campo de variáveis
42VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - AnalógicoResultados das Simulação
43VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - AnalógicoLayout
Escolha de tipo de camada Polígonos
44VLSI Design: Introduction
Largura mínima (minWidth)
Espaço mínimo entre objetos (minSpacing)
Entalhe mínimo (minNotch)
Projeto de Chip – AnalógicoLayout - Regras de Design
0.2
0.24
0.3
45VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip – Analógico
Reação dinâmica no caso da violação de regras de design
No caso da violação → Ação não bloqueada
Layout - Regras de Design com Suporte
Notificação no caso da violação
46VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip - AnalógicoLayout de um Inversor
46
VDD
Gate
GND
PMOS
NMOS
Drain
Source
47VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip – Analógico
DRC: Controle das regras de design – Design Rule Check
Extração– Extração de componentes analógicos (transistores, condensadores,
resistores, fios...)
LVS: Layout contra esquemático– Layout Versus Schematic
– Verificação se função de esquemático e função de layout são idênticas
Layout - Verificação
48VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip – AnalógicoVerificação
Extração
DRC
LVS
49VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip – AnalógicoVerificação
CIW com tipo e número dos erros
50VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip – AnalógicoLayout Contra Esquemático: Resultados (LVS→Output)
Comparação dos dispositivos no esquemático e na célula extraída
51VLSI Design: Introduction
Projeto de Chip – AnalógicoLayout Contra Esquemático: Erros
(LVS→Error Display)
Navegação através dos erros
Descrição dos erros
Seleção dos tipos de erro
Erro é destacado
52VLSI Design: Introduction
Quiz
What are differences between analog and digital designs?A. Fabrication
B. Whether or not the designer touches transistors
C. Need for DRC (Design Rule Check)
D. Need for LVS check (Layout versus Schematic)
Which of the following figures is a Schematic
A. C.
B. D.
53VLSI Design: Introduction
Quiz
What are differences between analog and digital designs?A. Fabrication
B. Whether or not the designer touches transistors
C. Need for DRC (Design Rule Check)
D. Need for LVS check (Layout versus Schematic)
Which of the following figures is a Schematic
A. C.
B. D.