TEMA 0 INTRODUCCIN Circuitos vlsi 4 curso circuitos

TEMA 0. INTRODUCCIÓN Circuitos vlsi (4º curso) circuitos vlsi Dr. José Fco. López Desp. 307, Pab. A lopez@iuma. ulpgc. es

Índice Perspectiva histórica Circuitos vlsi (4º curso) Problemas en el diseño de Circuitos Integrados Métricas de calidad en el diseño digital • Coste de un circuito integrado • Funcionalidad y robustez • Prestaciones • Consumo de energía y potencia Estrategias de implementación para circuitos digitales • Diseño de circuitos a medida • Metodología de diseño basada en celdas • Técnicas de implementación basadas en matrices

Perspectiva Histórica El campo de la instrumentación fue uno de los primeros no relacionados con la informática en los que se conocieron los beneficios potenciales que el procesamiento digital de los datos presentaba sobre el procesamiento analógico. Circuitos vlsi (4º curso) Sólo recientemente hemos sido testigos de la conversión de las telecomunicaciones y la electrónica de consumo en formato digital. DVD, vídeo compacto, reproductor MP 3, telefonía 4 G…

Perspectiva Histórica Circuitos vlsi (4º curso) La idea de implementar máquinas de procesamiento utilizando un formato de datos codificado no es una idea contemporánea A principios del siglo XIX, Babbage concibió unos dispositivos mecánicos de computación a los que denominó máquina diferencial 1832 Charles Babbage (1792 -1871)

Perspectiva Histórica Circuitos vlsi (4º curso) Si bien el primer ábaco se desarrolló en el año 300 a. C. , los primeros signos de su utilización no se darían hasta el 1200 d. C. en China. Este dispositivo revolucionó la industria del comercio, y todavía hoy es utilizado en muchos países. Ábaco moderno

Perspectiva Histórica Circuitos vlsi (4º curso) No fue hasta 450 años más tarde hasta cuando se realizó el primer gran avance en computación, debido a Blaise Pascal La calculadora Pascaline era tan avanzada para su época que poca gente la utilizaba debido a su complejidad. Blaise Pascal (1623 -1662) Pascaline Primera calculadora automática operativa

Perspectiva Histórica Circuitos vlsi (4º curso) Once años después de la muerte de Pascal, Leibniz desarrolló una mejora de la Pascaline. La calculadora de Leibniz fue diseñada en 1673 y fue construida por primera vez en 1694. Permitía sumar, restar, multiplicar y dividir. Calculadora Leibniz Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646 -1716)

Perspectiva Histórica 25000 componentes Circuitos vlsi (4º curso) 25000 euros en 1834!!!!! Charles Babbage (1791 -1871) 1834. Motor Analítico. Concebido como una máquina de procesamiento de propósito general, parecida a las modernas computadoras

Perspectiva Histórica Reconocido por describir las características esenciales del primer computador práctico en 1936. Circuitos vlsi (4º curso) “On computable numbers with an application to the Entscheidungs problem” Turing desarrolló la idea de una “máquina Universal” capaz de ejecutar cualquier algoritmo, e introdujo la base del concepto de “computabilidad”. Alan Turing (1912 -1954)

Circuitos vlsi (4º curso) Perspectiva Histórica La solución eléctrica resultó ser más eficiente desde el punto de vista económico Los primeros sistemas electrónicos digitales están basados en conmutadores magnéticamente controlados (relés) y se utilizaban en la implementación de redes lógicas muy sencillas La era de la computación electrónica digital sólo dio verdaderos comienzos con la introducción de los tubos de vacío, e inicialmente sólo se utilizaba para realizar cálculos digitales El culmen de las computadoras basadas en los tubos de vacío tuvo lugar con…

Perspectiva Histórica Circuitos vlsi (4º curso) …ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator) en 1942. 18000 tubos de vacío, área prohibitiva, 180 k. W, 25 m de largo, 3 de alto… Utilizada entre 1946 y 1955, es considerada la primera computadora digital exitosa de …

Perspectiva Histórica Circuitos vlsi (4º curso) …ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator) en 1942. 18000 tubos de vacío, área prohibitiva, 180 k. W, 25 m de largo, 3 de alto… Utilizada entre 1946 y 1955, es considerada la primera computadora digital exitosa de alta velocidad (? ? ? )

Perspectiva Histórica Circuitos vlsi (4º curso) Demostró que un computador debería tener una estructura muy simple y fija, y ser capaz de ejecutar cualquier tipo de computación mediante programación sin tener que modificar su estructura Introdujo las subrutinas (IF, THEN, FOR…) John von Neumann junto a ENIAC (1903 -1957)

Perspectiva Histórica Circuitos vlsi (4º curso) Todo cambió con la invención del transistor en los laboratorios Bell Telephone en 1947, seguido por la introducción del transistor de unión bipolar por Schockley (1910 -1989) en 1949. Primer transistor en los laboratorios Bell, 1948

Perspectiva Histórica Shockley, Bardeen y Brattain recibieron el premio Nobel de Física en 1956 por el desarrollo del transistor Circuitos vlsi (4º curso) Bardeen Shockley Brattain

Perspectiva Histórica En 1956 se desarrolló la primera puerta lógica digital bipolar fabricada con componentes discretos. Circuitos vlsi (4º curso) En 1958, Jack Kilby, de Texas Instrument, inventó el primer circuito integrado, en el cual todos los componentes, activos y pasivos, se integran en un único substrato semiconductor. Kilby recibió el Premio Nobel de Física en el año 2000, junto con Alferov y Kroemer.

Perspectiva Histórica 1962. Introducción de la primera familia lógica de circuitos integrados con éxito, TTL (transistor-Transistor Logic) Circuitos vlsi (4º curso) Desarrollo de otras familias lógicas para obtener mayores prestaciones en velocidad, ECL (Emitter-Coupled Logic)

Circuitos vlsi (4º curso) Perspectiva Histórica Circuito Integrado ECL, Motorola 1966

Perspectiva Histórica 1962. Introducción de la primera familia lógica de circuitos integrados con éxito, TTL (transistor-Transistor Logic) Circuitos vlsi (4º curso) Desarrollo de otras familias lógicas para obtener mayores Prestaciones en velocidad, ECL (Emitter-Coupled Logic) Desarrollo de circuitos integrados MOS (p. MOS y n. MOS): • 1970: primera memoria MOS de 4 kbits • Intel 4004 (1972) • Intel 8080 (1974) Finales de los 70 s, desarrollo de circuitos integrados CMOS

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados La densidad de integración y las prestaciones de los circuitos integrados han experimentado una increíble revolución en las dos últimas décadas. Circuitos vlsi (4º curso) En 1960, Gordon Moore (co-fundador de Intel), predijo que el número de transistores que se pueden integrar en un mismo chip crecería exponencialmente con el tiempo (Ley de Moore) Esta predicción ha demostrado ser sorprendentemente visionaria

Circuitos vlsi (4º curso) Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados

Circuitos vlsi (4º curso) Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados Electronics, April 19, 1965.

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados Circuitos vlsi (4º curso) Para el caso de los procesadores, desde su concepción a principios de los 70, su complejidad ha crecido de forma constante 2 x cada 1. 96 años

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados Circuitos vlsi (4º curso) La densidad de memoria se ha multiplicado por más de 1000 desde 1970.

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados La frecuencias de reloj se han duplicado cada dos años en la última década y ya sobrepasa el rango del GHz Frequency (Mhz) Circuitos vlsi (4º curso) 10000 Doubles every 2 years 1000 10 8085 1 0. 1 1970 8086 286 386 486 P 6 Pentium ® proc 8080 8008 4004 1980 1990 Year 2000 2010

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados El consumo de potencia también ha aumentado de forma constante a lo largo de los años Power (Watts) Circuitos vlsi (4º curso) 100 P 6 Pentium ® proc 10 8086 286 1 8008 4004 486 386 8085 8080 0. 1 1974 1978 1985 1992 2000

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados Este consumo llegará a ser prohibitivo 100000 18 KW 5 KW 1. 5 KW 500 W Power (Watts) Circuitos vlsi (4º curso) 10000 100 Pentium® proc 286 486 8086 386 10 8085 8080 8008 1 4004 0. 1 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008 Year

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados Power Density (W/cm 2) Circuitos vlsi (4º curso) 10000 100 Rocket Nozzle Nuclear Reactor 8086 10 4004 Hot Plate P 6 8008 8085 Pentium® proc 386 286 486 8080 1 1970 1980 1990 2000 2010 Year

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados Circuitos vlsi (4º curso) Esta revolución ha tenido un gran impacto en la forma de diseñar los circuitos integrados digitales Microprocesador Intel 4004 (1971) 2250 transistores 1 MHz

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados Circuitos vlsi (4º curso) Esta revolución ha tenido un gran impacto en la forma de diseñar los circuitos integrados digitales Intel Pentium IV (2000) De 1. 4 a 2. 4 GHz Proceso de 0. 13 m 42 M de transistores

Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados Los niveles de abstracción normalmente utilizados en el diseño de CI digitales son: SISTEMA MÓDULO Circuitos vlsi (4º curso) + PUERTA CIRCUITO S n+ DISPOSITIVO G D n+

Métricas de calidad en el diseño digital Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes perspectivas, según sea su aplicación: Circuitos vlsi (4º curso) • Coste de un circuito integrado Independientes del volumen de ventas y del número de productos fabricados (ej. tiempo y mano de obra para realizar el diseño, costes generales de la empresa…) Costes fijos Costes variables Se atribuyen de manera directa a un producto manufacturado, y son proporcionales al volumen de productos fabricados. incluyen: coste de los componentes, costes de montaje, coste de pruebas…

Métricas de calidad en el diseño digital Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes perspectivas, según sea su aplicación: Circuitos vlsi (4º curso) • Coste de un circuito integrado El impacto de los costes fijos es más pronunciado cuanto menor sea el volumen de producción.

Circuitos vlsi (4º curso) Métricas de calidad en el diseño digital

Métricas de calidad en el diseño digital Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes perspectivas, según sea su aplicación: Circuitos vlsi (4º curso) • Coste de un circuito integrado El impacto de los costes fijos es más pronunciado cuanto menor sea el volumen de producción.

Métricas de calidad en el diseño digital Circuitos vlsi (4º curso) Chip Metal Line layers width Wafer cost Def. / Area Dies/ Yield cm 2 mm 2 wafer Die cost 386 DX 2 0. 90 $900 1. 0 43 360 71% $4 486 DX 2 3 0. 80 $1200 1. 0 81 181 54% $12 Power PC 601 4 0. 80 $1700 1. 3 121 115 28% $53 HP PA 7100 3 0. 80 $1300 1. 0 196 66 27% $73 DEC Alpha 3 0. 70 $1500 1. 2 234 53 19% $149 Super Sparc 3 0. 70 $1700 1. 6 256 48 13% $272 Pentium 3 0. 80 $1500 1. 5 296 40 9% $417

Métricas de calidad en el diseño digital Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes perspectivas, según sea su aplicación: Circuitos vlsi (4º curso) • Coste de un circuito integrado • Funcionalidad y robustez • Uno de los requisitos principales para un circuito digital es que éste lleve a cabo su función. Pero el comportamiento medido en un circuito suele desviarse de la respuesta esperada. Una razón es la variación en el proceso de fabricación. • La presencia de fuentes de ruido dentro o fuera del chip es otra causa de desviación en la respuesta de un circuito. Las señales de ruido pueden entrar en un circuito de muchas maneras.

Métricas de calidad en el diseño digital v(t) Circuitos vlsi (4º curso) i(t) Acoplamiento inductivo Acoplamiento capacitivo V DD Ruido de alimentación y tierra • El ruido es uno de los problemas principales den la ingeniería de circuitos digitales, y uno de los principales desafíos en el diseño de circuitos digitales de altas prestaciones es cómo enfrentarse a todas estas perturbaciones

Métricas de calidad en el diseño digital Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez: comportamiento estático de una puerta lógica • Curva de transferencia de tensión V(y) Circuitos vlsi (4º curso) V f OH V(y)=V(x) V M Switching Threshold VOL VIL V IH V(x) Nominal Voltage Levels

Métricas de calidad en el diseño digital Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez: comportamiento estático de una puerta lógica • Curva de transferencia de tensión V “ 1” V OH V Circuitos vlsi (4º curso) V IH out OH Slope = -1 Región indefinida V “ 0” V Slope = -1 IL V OL OL V IH V in

Métricas de calidad en el diseño digital Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez: comportamiento estático de una puerta lógica Circuitos vlsi (4º curso) • Márgenes de Ruido Para que una puerta sea robusta e insensible a las perturbaciones de ruido, los intervalos de “ 0” y de “ 1” debe ser lo más grande posibles. Una medida de la sensibilidad al ruido de una puerta es la dada por los márgenes de ruido. "1" V OH NM H V NMH: Margen de ruido alto IH Región indefinida V NM L OL "0" V IL NML: Margen de ruido bajo

Métricas de calidad en el diseño digital Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez: comportamiento estático de una puerta lógica Circuitos vlsi (4º curso) • Propiedad regenerativa Un gran margen de ruido es deseable, pero además se debe garantizar que una señal perturbada converja gradualmente de nuevo hacia uno de los niveles de tensión nominales después de pasar a través de una serie de etapas lógicas. v 0 v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 6

Métricas de calidad en el diseño digital Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez: comportamiento estático de una puerta lógica Circuitos vlsi (4º curso) • Inmunidad al ruido El margen de ruido expresa la capacidad de un circuito para “sobreponerse” a una fuente de ruido; la inmunidad al ruido, por el contrario expresa la capacidad del sistema para procesar y transmitir información correctamente en presencia de ruido.

Métricas de calidad en el diseño digital Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez: comportamiento estático de una puerta lógica • La puerta digital ideal Circuitos vlsi (4º curso) V out Ri = Ro = 0 Fan-out = NMH = NML = VDD/2 g= V in

Métricas de calidad en el diseño digital 5. 0 4. 0 NM L Circuitos vlsi (4º curso) 3. 0 2. 0 VM NM H 1. 0 0. 0 1. 0 2. 0 3. 0 V in (V) 4. 0 5. 0

Métricas de calidad en el diseño digital Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes perspectivas, según sea su aplicación: Circuitos vlsi (4º curso) • Coste de un circuito integrado • Funcionalidad y robustez • Prestaciones • Desde el punto de vista de un diseñador, las prestaciones de un circuito digital expresan su capacidad de procesamiento. Cuando nos centramos en cuestiones puras de diseño, las prestaciones se suelen expresar mediante la duración del periodo de reloj y su relación con: • Tiempo de propagación de las señales • Tiempo que los datos tardan en entrar y salir de registros • Incertidumbre en los instantes de llegada del reloj • …

Métricas de calidad en el diseño digital Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes perspectivas, según sea su aplicación: Circuitos vlsi (4º curso) • Coste de un circuito integrado • Funcionalidad y robustez • Prestaciones • Desde el punto de vista de un diseñador, las prestaciones de un circuito digital expresan su capacidad de procesamiento. Cuando nos centramos en cuestiones puras de diseño, las prestaciones se suelen expresar mediante la duración del periodo de reloj y su relación con: • Tiempo de propagación de las señales • Tiempo que los datos tardan en entrar y salir de registros • Incertidumbre en los instantes de llegada del reloj • …

Circuitos vlsi (4º curso) Métricas de calidad en el diseño digital

Métricas de calidad en el diseño digital Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes perspectivas, según sea su aplicación: Circuitos vlsi (4º curso) • Coste de un circuito integrado • Funcionalidad y robustez • Prestaciones • Consumo de energía y de potencia • La potencia consumida por un diseño determina cuánta energía se consume en cada operación y cuánto calor disipa el circuito. Influye en: • La capacidad de la fuente de alimentación • La duración de la batería • El dimensionado de las líneas de alimentación • El encapsulado • Los requisitos de disipación • …

Estrategias de implementación para circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Diseñar un circuito con varios millones de transistores y garantizar que funcione correctamente cuando se disponga de silicio es una tarea enormemente complicada que resulta prácticamente imposible sin la ayuda de herramientas informáticas y metodologías de diseño bien definidas. Intel 4004 2250 ttores Intel Pentium IV 42 millones de ttores

Estrategias de implementación para circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Diseñar un circuito con varios millones de transistores y garantizar que funcione correctamente cuando se disponga de silicio es una tarea enormemente complicada que resulta prácticamente imposible sin la ayuda de herramientas informáticas y metodologías de diseño bien definidas. A menudo se sugiere que los avances de la tecnología van a un ritmo más rápido que la comunidad de diseñadores puede absorber.

Estrategias de implementación para circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Complejidad del diseño Vs productividad del diseño Fuente: Sematech 1997

Estrategias de implementación para circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Diseñar un circuito con varios millones de transistores y garantizar que funcione correctamente cuando se disponga de silicio es una tarea enormemente complicada que resulta prácticamente imposible sin la ayuda de herramientas informáticas y metodologías de diseño bien definidas. A menudo se sugiere que los avances de la tecnología van a un ritmo más rápido que la comunidad de diseñadores puede absorber. Aproximadamente una vez por década podemos asistir a la introducción de una nueva metodología de diseño que provoca un salto en la productividad del diseño, ayudando temporalmente a reducir la separación: diseño personalizado, PLA, células estándar, macroceldas, compiladores de módulo, matrices de puertas, hardware reconfigurable…

Estrategias de implementación para circuitos digitales Métodos e implementación de circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Personalizado Semipersonalizado Basado en Celdas estándar Macroceldas Basado en matrices Matrices de puertas FPGAs

Circuitos vlsi (4º curso) Estrategias de implementación para circuitos digitales Intel 4004 2250 ttores PERSONALIZADO Intel Pentium IV 42 millones de ttores SEMIPERSONALIZADO

Estrategias de implementación para circuitos digitales Métodos e implementación de circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Personalizado Semipersonalizado Basado en Celdas estándar Basado en matrices Cuando las prestaciones o la densidad del diseño tienen una importancia crucial, la única opción factible parece ser la de realizar a. Matrices mano lade topología físico del macroceldas FPGAs puertas y diseño circuito. Este enfoque era la única opción existente en las primeros días de la microelectrónica digital.

Estrategias de implementación para circuitos digitales Métodos e implementación de circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Personalizado Semipersonalizado Basado en Celdas estándar Macroceldas Cuanto más corto sea el tiempo de diseño, mayor es el coste que hay que pagar en densidad de integración o prestaciones Basado en matrices Matrices de puertas FPGAs

Estrategias de implementación para circuitos digitales Métodos e implementación de circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Personalizado Semipersonalizado Basado en Celdas estándar Macroceldas Cuanto más corto sea el tiempo de diseño, mayor es el coste que hay que pagar en densidad de integración o prestaciones Basado en matrices Matrices de puertas FPGAs

Estrategias de implementación para circuitos digitales Métodos e implementación de circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Personalizado Semipersonalizado Basado en Celdas estándar Macroceldas Basado en matrices Matrices de puertas FPGAs

Estrategias de implementación para circuitos digitales Celda lógica Circuitos vlsi (4º curso) Celda de paso Canal de interconexión Módulo funcional (RAM, sumador, multiplicador…)

Circuitos vlsi (4º curso) Estrategias de implementación para circuitos digitales

Circuitos vlsi (4º curso) Estrategias de implementación para circuitos digitales

Estrategias de implementación para circuitos digitales Métodos e implementación de circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Personalizado Semipersonalizado Basado en Celdas estándar Macroceldas Basado en matrices Matrices de puertas FPGAs

Circuitos vlsi (4º curso) Estrategias de implementación para circuitos digitales 256 32 SRAM

Circuitos vlsi (4º curso) Estrategias de implementación para circuitos digitales Multiplicador 8 8

Estrategias de implementación para circuitos digitales Métodos e implementación de circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Personalizado Semipersonalizado Basado en Celdas estándar Macroceldas Basado en matrices Matrices de puertas FPGAs

Estrategias de implementación para circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Celda primitiva de matriz de puertas Celda programada implementando una NOR de 4 entradas Ejemplo de matriz de puertas

Circuitos vlsi (4º curso) Estrategias de implementación para circuitos digitales Matriz de puertas

Estrategias de implementación para circuitos digitales Métodos e implementación de circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) Personalizado Semipersonalizado Basado en Celdas estándar Macroceldas Basado en matrices Matrices de puertas FPGAs

Estrategias de implementación para circuitos digitales Circuitos vlsi (4º curso) antifuse polysilicon ONO dielectric n+ antifuse diffusion 2 l FPGA de una única escritura o basada en elementos fusibles FPGA no volátil FPGA volátil o basada en RAM

Circuitos vlsi (4º curso) Estrategias de implementación para circuitos digitales

Circuitos vlsi (4º curso) Estrategias de implementación para circuitos digitales