9/5/2011

1/4

1980s, VLSI xuất hiện (cid:1) thiết kế IC theo nhu cầu.

Phần II:

Field Programmable Gate Array Application Specific Integrated Circuit

• Tổng quan (1) • Kiến trúc (2) • Qui trình thiết kế FPGA, ASIC (1) • Giới thiệu công cụ thiết kế và triển khai (4)

Độ phức tạp tăng 40% mỗi năm. Nhu cầu thiết kế tăng 15% mỗi năm

3/4

2/4

Mức ñộ tích hợp của PCB trên mỗi die

Intel 4004 (1971) - thiết kế thủ công Mật ñộ (Gb/cm2) Tốc ñộ truy xuất (ns)

Silicon, 2010

2.5x2.5 cm 0.6 V

Die Area: Voltage: Technology:0.07 m m

DRAM 8.5 10 DRAM (logic) 2.5 10 SRAM (cache) 0.3 1.5

email ktmt@soict.hut.edu.vn

30

email ktmt@soict.hut.edu.vn

29

Mật ñộ (Mgate/cm2) Năng lượng (W/cm2) Xung ñồng hồ (GHz) Custom 25 54 3 Std. Cell 10 27 1.5 Gate 5 18 1 Single-Mask GA 2.5 12.5 0.7 FPGA 0.3 4.5 0.25

1

9/5/2011

4/4

1/3

ASIC, IC chuyên dụng.

ASIC ra ñời so nhu cầu về các hoạt ñộng thiết kế ngày càng tăng.

ASIC không ñồng nhất với custom IC.

IC chuẩn: ROM, RAM, DRAM, Processor, etc. ASIC: chip cho ñồ chơi biết nói, chip cho 1 vệ tinh, chip cho bộ xử lý dưới dạng cell cùng với mạch logic.

Hội nghị các vi mạch tùy biến theo khách hàng của IEEE ñưa ra các tài liệu hướng dẫn phát triển custom IC.

Thiết kế = IC chuẩn + custom IC

Từ custom IC (cid:1) thuật ngữ Application Specific IC

Qui tắc phổ biến: “Nếu một IC xuất hiện trong sách tra cứu, thì ñó không phải là ASIC”.

Application Specific Standard Product.

email ktmt@soict.hut.edu.vn

31

1/2

2/2

Có công cụ CAD cần thiết ñể ñạt ñược hiệu quả trong chiến lược thiết kế:

Thiết kế mức hệ thống: VHDL Thiết kế mức vật lý, từ VHDL tới silicon, timing closure (Monterey, Magma, Synopsys, Cadence, Avant!)

ASIC ñem lại cơ hội sản xuất với số lượng lớn; các bộ phận ñược tiêu chuẩn hóa ñể nhanh chóng trở thành sản phẩm thương mại. Giá thành giảm theo số lượng. None Reducing Cost. Quy trình Cost Down trong các nhà máy.

Chiến lược thiết kế: Hierarchy - phân cấp; Regularity; Modularity - mô ñun; Locality.

Hiệu quả kinh tế trong thiết kế

Thực hiện prototype nhanh với số lượng thấp. Thiết kế theo nhu cầu, chuyên sâu, số lượng lớn.

email ktmt@soict.hut.edu.vn

34

email ktmt@soict.hut.edu.vn

33

2

9/5/2011

Ý tưởng thiết kế

Đặc tả thiết kế

Thiết kế hệ thống

Simulink Simulink

Thiết kế là một quá trình liên tục cân ñối các tham số ñầu vào, ñể ñạt ñược hiệu quả mong ñợi.

HDL

Hiệu năng Hiệu năng

Giả lập

• chức năng, thời gian, tốc ñộ, năng lượng

Thiết kế mức cổng

Tổng hợp

Kích thước die Kích thước die

c := a + b; c := a + b; := 1; if (c == 1) then cfcf := 1; if (c == 1) then

Thư viện cell

• chi phí sản xuất

Giả lập

Layout

Thời gian thiết kế Thời gian thiết kế

Synopsys Synopsys

Kiểm tra Layout

• lập lịch và chi phí nghiên cứu

Sản xuất

Test và Stability Test Test và Stability Test

Kiểm thử chip

Cadence Cadence

• lập lịch, chi phí nguồn lực, chi phí sản xuất

Sản phẩm

email ktmt@soict.hut.edu.vn

35

email ktmt@soict.hut.edu.vn

36

1/2

CPLDCPLD

FPGA FPGA

Mức hệ thống

i

I

i

l l

C • Thiết kế rất phức m tạp, hàng o trăm man- t s u year C

Mức mô-ñun chức năng

Novelus Novelus

A e t a G

l l

e C

e • Dựa trên c v e D c g o L

u F

l

Mức cổng

• ~ 25M gate

C • Các cell là I Flip- e Flop, gate, s a hoặc bộ xử B lý ñã ñược ñịnh nghĩa trước, ñược tái sử dụng lại,

Mức mạch

y • Các trans tạo a sẵn thảnh r r mảng, và nhà thiết kế thực hiện việc tạo các liên kết nối giữa chúng bằng cách sử dụng các thư viện cell và CAD.

công nghệ ROM/PROM, cấu tạo chỉ gồm các lớp cổng AND, OR và một số Flip Flop. • Phải sản • Sản phẩm xuất với số lượng cực lớn mới

e b a m a r g o r P

Mức thiết bị

email ktmt@soict.hut.edu.vn

37

email ktmt@soict.hut.edu.vn

38

khá ñơn giản với khoảng 1K gate. • Sản xuất ñơn • Sản xuất với số lượng 100k sản phẩm/ năm lẻ ñược. • Sản xuất ñơn lẻ ñược

3

9/5/2011

2/2

1/4

Phát sinh thứ 1:

FPGA, PLD, CPLD ñược xếp vào nhóm các IC lập trình ñược bởi người dùng

Một khi chip ASIC càng mạnh thì thiết kế càng tinh vi, phức tạp, càng tiềm tàng những sai sót lớn. Các phần mềm hỗ trợ, giả lập chưa thực sự phản ánh hết ñược hoạt ñộng thực tế của hệ thống. Để kiểm tra thiết kế, người kĩ sư buộc phải ñặt các nhà sản xuất sản xuất chip ñơn lẻ và kiểm tra trên các ứng dụng, môi trường thực (cid:1) tốn thời gian, và tiền bạc.

(cid:1) cần hệ nền kiểm thử phần cứng nhanh chóng.

email ktmt@soict.hut.edu.vn

39

email ktmt@soict.hut.edu.vn

40

2/4

3/4

Phát sinh thứ 2:

Các nhà sản xuất lớn chỉ cung cấp các chip thông dụng trên thị trường, với số lượng lớn. (cid:1) bỏ qua nhu cầu về các IC chuyên dụng có số lượng thấp, nhưng tổng nhu cầu thì rất lớn.

Phát sinh thứ 3:

Năm 1984, Ross Freeman, Bernard Vonderschmitt, ñồng sáng lập công ty Xillinx. Năm 1985, Xilinx ñưa ra dòng FPGA thương mại ñầu tiên, XC2064. Năm 2006, Freeman ñược vinh danh tại National Inventors Hall of Fame vì sáng chế này. FPGA dựa trên các công nghệ nền tảng như PROM và PLD, nhưng với kiến trúc mới hiệu quả hơn. Các thiết kế IC ñược thử nghiệm prototype trên các chip FPGA ngay lập tức (cid:1) tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

Ban ñầu, các chip lập trình ñược có giá thành khá cao và tốc ñộ chậm, chỉ sử dụng trong các phòng thí nghiệm. Khi công nghệ sản xuất phát triển vượt bậc, thì các chip lập trình ñược ngày càng mạnh và rẻ (cid:1) ứng dụng ñại trà.

email ktmt@soict.hut.edu.vn

41

email ktmt@soict.hut.edu.vn

42

4

9/5/2011

4/4

vsvs

CustomIC CustomIC

FPGA FPGA

Hệ quả: Chân trời mới

Chi phí chế tạo lớn

Chi phí chế tạo thấp

Tối ưu tính năng

Tối ưu tốc ñộ, năng lượng…

Sản xuất lớn

Sản xuất nhỏ

FPGA không chỉ là chip prototype trong các phòng thí nghiệm, mà thực sự trở thành sản phẩm thường mại ñại chúng. Thị trường phần cứng ñược cung cấp một dòng sản phẩm có thể thiết kế và sử dụng ñược ngay. Các công ty vừa nhỏ, các kỹ sư hoạt ñộng ñộc lập, không phải lệ thuộc vào các IC của các nhà sản xuất lớn (cid:1) tự do sáng tạo.

email ktmt@soict.hut.edu.vn

43

email ktmt@soict.hut.edu.vn

44

1/2

1/2

Nguyên nhân sử dụng chip ASIC prototyping

System On Chip

IP-based

. . .

EDA Tools

. . .

Other 3% Easiest to use 4%

Hard IP Hard IP Soft IP Soft IP Others

Quality, Reliability 9%

Platform-based

Soft IP

Flexibility & Expandability 31%

EDA Tools

Hard IP

A D E

r o t a r g e t n I

Complete Solution 18%

EDA Tools

Others

Derivative

Application specific integration platform

email ktmt@soict.hut.edu.vn

45

email ktmt@soict.hut.edu.vn

46

Lowest Cost 17% Lowest Power 3% Best Performance (thoughput speed) 15%

5

9/5/2011

RCC, Reconfigurable Computing. Ví dụ: RAM, ROM, PLA, PAL.

Input: Địa chỉ Output: Giá trị

Giá trị = f(Địa chỉ) y = f(x)

FPGA với tính chất lập trình ñược cao, ưu việt, là ñại diện của RCC.

Intel Core i7 die

email ktmt@soict.hut.edu.vn

47

email ktmt@soict.hut.edu.vn

48

6