METODOLOGIA DE DISEÑO DE CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES

(1)

METODOLOGIA DE DISEÑO DE

CIRCUITOS INTEGRADOS

DIGITALES

MANUEL JESÚS BELLIDO DÍAZ

ANGEL BARRIGA BARROS

9 October 2001 /mnt/cnm/bellido/FRAMEMAKER/SEMINARIOS/MET_DISENO_ALLIANCE/met_dis.doc

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

➥

INTRODUCCIÓN

➥

METODOLOGÍA DE DISEÑO

➥

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

➥

COMPARACIÓN ENTRE LAS TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN

(2)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

DEFINICIÓN DE CIRCUITO INTEGRADO

◗

MICROCIRCUITO ELECTRÓNICO IMPLEMENTADO EN UNA PASTILLA DE

MATERIAL SEMICONDUCTOR Y COMPUESTO BÁSICAMENTE POR DOS TIPOS DE COMPONENTES: TRANSISTORES Y CONEXIONES

◗

QUEDA CARACTERIZADO POR UN PROCESO TECNOLÓGICO

❑

PROCESO TECNOLÓGICO

◗

PROCESO MEDIANTE EL QUE SE FABRICA EL CIRCUITO INTEGRADO. CONSTA DE UN CONJUNTO DE PROCESOS QUÍMICOS REALIZADOS SOBRE LA OBLEA DE

MATERIAL SEMICONDUCTOR (P.EJ., ATACADOS, IMPLANTACIONES,

DEPOSICIONES DE MATERIAL, OXIDACIONES, LITOGRAFÍAS, ETC.) TRAS LOS CUALES SE OBTIENE COMO RESULTADO EL CIRCUITO INTEGRADO.

◗

CADA UNO DE LOS PROCESOS QUÍMICOS SE APLICA SOBRE LA OBLEA

INTERPONIENDO A ESTA UNA DETERMINADA MÁSCARA QUE SELECCIONA SOBRE QUE PARTES DE LA OBLEA DEBE REALIZARSE DICHO PROCESO.

I

NTRODUCCIÓN

M

ETODOLOGÍA

D

E

DISEÑO

DE

CIRCUITOS

INTEGRADOS

DIGITALES

❑ PASOS DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE UN INVERSOR CMOS

(3)

M

ETODOLOGÍA

D

E

D

ISEÑO

DE

CIRCUITOS

INTEGRADOS

DIGITALES

INTRODUCCIÓN: PROCESO DEFABRICACIÓN

M

ETODOLOGÍA

D

E

DISEÑO

DE

CIRCUITOS

INTEGRADOS

DIGITALES

(4)

M

ETODOLOGÍA

D

E

D

ISEÑO

DE

CIRCUITOS

INTEGRADOS

DIGITALES

❑ PUNTO DE PARTIDA DE LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS: EL LAYOUT

◗ LAYOUT: PATRONES GEOMÉTRICOS DEL CONJUNTO DE CAPAS QUE CARACTERIZAN A UN DETERMINADO PROCESO TECNOLÓGICO INTRODUCCIÓN

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

OBJETIVO DEL PROCESO DE DISEÑO DE CID:

◗

OBTENER UN LAYOUT QUE RESPONDA A LAS ESPECIFICACIONES DE

FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DIGITAL QUE SE PRETENDE DISEÑAR Y, QUE EN LA MEDIDA DE LO POSIBLE, ESTE LIBRE DE ERRORES.

❑

CARACTERÍSTICA BÁSICA DE LOS PROCESOS TECNOLÓGICOS

ACTUALES:

◗

ALTA DENSIDAD DE INTEGRACIÓN. CIRCUITOS INTEGRADOS TIPO VLSI. .

(5)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

CARACTERÍSTICA BÁSICA DE LOS PROCESOS TECNOLÓGICOS

ACTUALES:

◗

PERMITEN INCORPORAR SISTEMAS DIGITALES MUY COMPLEJOS EN UN ÚNICO CHIP.

❑

CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE DISEÑO DE CID:

◗

GRAN COMPLEJIDAD EN EL DISEÑO.

◗

NECESIDAD DE ESTABLECER UNA METODOLOGÍA PARA DESARROLLAR EL

PROCESO DE DISEÑO CORRECTAMENTE.

❑

CONDICIONANTES DE LA METODOLOGÍA DE DISEÑO:

◗

REQUERIMIENTOS DE LOS PRODUCTOS ELECTRÓNICOS.

◗

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

◗

HERRAMIENTAS SOFTWARE DISPONIBLES PARA REALIZAR EL DISEÑO

I

NTRODUCCIÓN

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

➥

INTRODUCCIÓN

➥

METODOLOGÍA DE DISEÑO

● NIVELES DE DESCRIPCCIÓN

• NIVEL DE ARQUITECTURA

• NIVEL DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS

• NIVEL DE CONMUTACIÓN

• NIVEL GEOMÉTRICO

● MÉTODO “TOP-DOWN”

● VERIFICACIÓN

● SÍNTESIS AUTOMÁTICA Y ENTORNOS INFORMATICOS DE

AYUDA AL DISEÑO

➥

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

➥

COMPARACIÓN ENTRE LAS TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN

(6)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

NIVELES DE DESCRIPCCIÓN:

NIVEL ARQUITECTURAL

NIVEL DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS

NIVEL DE CONMUTACIÓN

NIVEL GEOMÉTRICO

M

ETODOLOGÍA DE

D

ISEÑO

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

ENTRADA: ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DIGITAL QUE SE VA A

DISEÑAR

❑

DISEÑO ARQUITECTURAL:

◗ REPRESENTACIÓN ESTRUCTURAL A NIVEL DE BOQUES FUNCIONALES

◗ DESCRIPCIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDENTIFICANDO LA OPERACIÓN DE

CADA UNO DE LOS BLOQUES DE LA REPRESENTACIÓN ESTRUCTURAL

✷

BLOQUES FUNCIONALES:

❍ UNIDADES DE MEMORIA, INTERFASES DE ENTRADA-SALIDA, UNIDADES DE

PROCESADO, UNIDADES DE CONTROL.

✷

EJEMPLO DE DISEÑO EN EL NIVEL ARQUITECTURAL

❍ ESPECIFICACIÓN DEL SISTEMA DIGITAL: SISTEMA COMPUTADOR QUE PUEDA

(7)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

M

ETODOLOGÍA DE

D

ISEÑO

: N

IVEL

A

RQUITECTURAL

CS1: REPRESENTACIÓN ESTRUCTURAL

CS1: REPRESENTACIÓN FUNCIONAL

RI UNIDAD DE CONTROL UNIDAD DE DATOS MEMORIA XS

XS

MNEMÓNICO

INSTRUCCIÓN

STOP

0 0

-ADD($A)

0 1 A A A A A A

SUB($A)

1 0 A A A A A A

STA($A)

1 1 A A A A A A

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

ENTRADA: DISEÑO ARQUITECTURAL

❑

DISEÑO DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS:

◗ REPRESENTACIÓN ESTRUCTURAL DE CADA UNO DE LOS SUBSISTEMAS A

NIVEL DE COMPONENTES RT.

◗ DESCRIPCIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDENTIFICANDO LA TRANSFERENCIA DE DATOS ENTRE LOS REGISTROS QUE PERMITEN REALIZAR LAS OPERACIONES DEL SISTEMA

✷

COMPONENTES RT:

❍ DE ALMACENAMIENTO DE DATOS: REGISTROS, CONTADORES, PALABRAS DE

UNA MEMORIA, ETC

❍ DE PROCESAMIENTO DE DATOS: SUMADORES, ALU, MULTIPLEXORES, ETC

❍ DE CONEXIÓN DE COMPONENTES: BUSES DE DATOS, BUSES DE CONTROL

(8)

M

ETODOLOGÍA

D

E

D

ISEÑO

DE

CIRCUITOS

INTEGRADOS

DIGITALES

❑ CS1: REPRESENTACIÓN ESTRUCTURAL ❑ CS1: REPRESENTACIÓN FUNCIONAL

STOP ADD($A) SUB($A) STA($A)

MAR PC MAR PC MAR PC MAR PC IR RAM PC PC + 1 IR RAM PC PC + 1 IR RAM PC PC + 1 IR RAM PC PC + 1

NOP MAR IR MAR IR MAR IR

T RAM T RAM RAM AC

AC AC + T AC AC - 1

METODOLOGÍA DEDISEÑO: TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

ENTRADA: DISEÑO RT

❑

DISEÑO DE CONMUTACIÓN:

◗ CIRCUITO DIGITAL CONSTRUIDO CON PUERTAS LÓGICAS Y BIESTABLES.

◗ OPERACIÓN ANIVEL DE BITS EN VEZ DE DATOS. SE MANEJAN SEÑALES EN VEZ DE BUSES.

◗ DESCRIPCCIÓN DEL COMPORTAMIENTO A NIVEL DE TABLAS DE ESTADO

(ELEMENTOS SECUENCIALES) O TABLAS DE VERDAD (ELEMENTOS

COMBINACIONALES).

(9)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

M

ETODOLOGÍA DE

D

ISEÑO

: N

IVEL DE

C

ONMUTACIÓN

❑

CS1: DISEÑO DEL REGISTR MAR

TPC TIR Qi 0 0 qi 0 1 IRi 1 0 PCi 1 1 CAN_0 N_1 SEL SAL 9 October 2001 /mnt/cnm/bellido/FRAMEMAKER/SEMINARIOS/MET_DISENO_ALLIANCE/met_dis.doc

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

ENTRADA: DISEÑO A NIVEL DE PUERTAS LÓGICAS

❑

DISEÑO GEOMÉTRICO:

◗ OBTENCIÓN DEL LAYOUT: PATRÓN GEOMÉTRICO DEL CONJUNTO DE CAPAS

QUE PERTENECEN A UN DETERMINADO PROCESO TECNOLÓGICO.

◗ EL LAYOUT FINAL DEPENDE FUERTEMENTE DE LA TÉCNICA DE

IMPLEMENTACIÓN UTILIZADA PARA FABRICAR EL CIRCUITO INTEGRADO.

◗ TAREAS BÁSICAS DE CONSTRUCCIÓN DEL LAYOUT:.

• CONSTRUCCIÓN DE LAS CELDAS DE LOS COMPONENTES LÓGICOS

• COLOCACIÓN DE LAS CELDAS (PLACEMENT) • CONEXIONADO DE CELDAS (ROUTING)

(10)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

REPRESENTACIONES ESTRUCTURALES Y DESCRIPCIONES DE COMPORTAMIENTO

NIVEL ARQUITECTURAL

NIVEL DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS

NIVEL DE CONMUTACIÓN

NIVEL GEOMÉTRICO

M

ETODOLOGÍA DE

D

ISEÑO

: M

ÉTODO

TOP-DOWN

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

DESCRIPCIONES FÍSICAS

NIVEL ARQUITECTURAL

NIVEL DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS

NIVEL DE CONMUTACIÓN

NIVEL GEOMÉTRICO

(11)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

M

ETODOLOGÍA DE

D

ISEÑO

: M

ÉTODO

TOP-DOWN

NIVEL ARQUITECTURAL

NIVEL DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS

NIVEL DE CONMUTACIÓN

NIVEL GEOMÉTRICO

VERIFICACIÓN

M

ETODOLOGÍA

D

E

DISEÑO

DE

CIRCUITOS

INTEGRADOS

DIGITALES

❑ NIVEL ARQUITECTURAL: ◗ ANÁLISIS FUNCIONAL DE LA ARQUITECTURA PARA COMPROBAR QUE SE AJUSTA A LAS ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA.

❑ NIVEL DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS:

◗ ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL DISEÑO CICLO DE RELOJ A CICLO DE RELOJ PERO SIN INCLUIR LOS RETRASOS DE PROPAGACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA.

❑ NIVEL DE CONMUTACIÓN:

◗ ANÁLISIS DE DISEÑO INCLUYENDO YA LOS RETRASOS DE PROPAGACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS QUE FORMAN PARTE DEL SISTEMA.

❑ NIVEL GEOMÉTRICO:

◗ CHEQUEO DE REGLAS DE DISEÑO Y ELÉCTRICAS.

◗ EXTRACCIÓN Y COMPARACIÓN CON EL NIVEL LÓGICO.

◗ PROCESO DE BACK-ANNOTATION

(12)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

SÍNTESIS AUTOMÁTICA: PERMITEN RECORRER DE FORMA

AUTOMÁTICA TODO EL PROCESO DE DISEÑO

◗ ENTRADA: ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA.

◗ SALIDA: LAYOUT FINAL

❑

ENTORNOS INFORMÁTICOS DE AYUDA AL DISEÑO DE CID

◗ HERRAMIENTAS DE SÍNTESIS Y VERIFICACIÓN DE LOS DIFERENTES NIVELES.

◗ LENGUAJES DE DESCRIPIÓN DE HARDAWARE (HDL‘s)

◗ HERRAMIENTAS MÁS USUALES:

• SÍNTESIS LÓGICA

• SIMULADORES FUNCIONALES

• SIMULADORES LÓGICO-TEMPORALES

• SÍNTESIS DE LAYOUT

• EDITORES Y GENERADORES DE LAYOUT

• CHEQUEADORES DE REGLAS

• EXTRACTORES DE LAYOUT

• COMPARADORES LÓGICOS

M

ETODOLOGÍA DE

D

ISEÑO

: H

ERRAMIENTAS DE

CAD

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

➥

INTRODUCCIÓN

➥

METODOLOGÍA DE DISEÑO

➥

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

● FULL-CUSTOM

● SEMI-CUSTOM

• CELDAS ESTÁNDARES

• MATRIZ DE PUERTAS

● DISPOSITIVOS PROGRAMABLES: FPGA‘s

➥

COMPARACIÓN ENTRE LAS TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN

(13)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

_❑

_{DISEÑO COMPLETAMENTE A MEDIDA:}

◗ CONSTRUCCIÓN DEL ESQUEMÁTICO A NIVEL DE TRANSISTORES.

◗ CONSTRUCCIÓN DEL LAYOUT.

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: F

ULL

-C

USTOM

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

NIVEL DE CONMUTACIÓN

NIVEL DE TRANSISTORES

VERIFICACIÓN

NIVEL GEOMÉTRICO

VERIFICACIÓN

(14)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

DISEÑO DEL MULTIPLEXOR 2:1

❑

VERIFICACIÓN DEL MULTIPLEXOR 2:1

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: F

ULL

-C

USTOM

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

(15)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

DISEÑO DEL MULTIPLEXOR 2:1

AREA DEL DISEÑO:

670 µ

M

2

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: F

ULL

-C

USTOM

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

_❑

_VENTAJAS:

◗ CIRCUITO INTEGRADO DE MUY ALTAS PRESTACIONES.

❑

INCONVENIENTES:

◗ NECESIDAD DE MUCHOS RECURSOS Y AUMENTO EXCESIVO DEL TIEMPO DE

DISEÑO.

(16)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

➥

INTRODUCCIÓN

➥

METODOLOGÍA DE DISEÑO

➥

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

● FULL-CUSTOM

● SEMI-CUSTOM

● DISPOSITIVOS PROGRAMABLES: FPGA‘s

➥

COMPARACIÓN ENTRE LAS TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

NIVEL ARQUITECTURAL

NIVEL DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS

NIVEL DE CONMUTACIÓN

VERIFICACIÓN

(17)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

➥

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

● FULL-CUSTOM

● SEMI-CUSTOM

● DISPOSITIVOS PROGRAMABLES: FPGA‘s

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: S

EMI

-C

USTOM

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO CON CELDAS ESTÁNDARES:

◗ EL FABRICANTES PONE A DISPOSICIÓN DEL DISEÑADOR UNA LIBRERÍA CON LAS CELDAS DE LAYOUT DE LOS DISPOSITIVOS LÓGICOS

◗ EXISTEN HERRAMIENTAS DE GENERACIÓN AUTOMÁTICA DE LAYOUT.

❑

PROCESO DE GENERACIÓN DEL LAYOUT:

◗ SE GENERA A PARTIR DEL DISEÑO A NIVEL DE CONMUTACIÓN Y CON LAS

CELDAS DE LAYOUT DE LOS COMPONENTES DE ESE DISEÑO

◗ SE REALIZAN DOS TAREAS:

• COLOCACIÓN DE CELDAS

• CONEXIÓN ENTRE LAS CELDAS

◗ LAS TAREAS DE PLACEMENT Y ROUTING ESTÁN AUTOMATIZADAS:

(18)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

TIPOS DE CELDAS ESTÁNDARES:

◗ BLOQUES LÓGICOS BÁSICOS: PUERTAS Y BIESTABLES

◗ SUBSISTEMAS COMBINACIONALES: DECODIFICADORES, MULTIPLEXORES, etc

◗ SUBSISTEMAS SECUENCIALES: REGISTROS, CONTADORES

◗ MACROCELDAS: RAMs, FIFOs, ROMs, etc

V_DD VSS A B Y ALTURA ESTÁNDAR A B Y

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: C

ELDAS

E

STÁNDARES

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL LAYOUT:

◗ FILAS DE LA MISMA ANCHURA DE CELDAS ESTÁNDARES ADOSADAS

◗ ESPACIO ENTRE LAS FILAS DEDICADO A CANALES DE INTERCONEXIÓN ENTRE CELDAS

(19)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

EJEMPLO DE LAYOUT CON MACROCELDAS

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: C

ELDAS

E

STÁNDARES

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

EJEMPLO DE DISEÑO CON CELDAS ESTÁNDARES: MULTIPLEXOR 2:1

A B Y A B Y IN OUT MULTIPLEXOR ÁREA TOTAL 3500µM2

(20)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

VENTAJAS:

◗ ELIMINA LA NECESIDAD DEL DISEÑO A NIVEL DE TRANSISTORES

◗ REDUCE FUERTEMENTE EL TIEMPO TOTAL DE DISEÑO

❑

INCONVENIENTES:

◗ AUMENTA EL ÁREA TOTAL OCUPADA POR EL DISEÑO

◗ NO SE CONTROLAN ASPECTOS DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LAS

CELDAS: SE PIERDE VELOCIDAD DE OPERACIÓN

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: C

ELDAS

E

STÁNDARES

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

➥

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

● FULL-CUSTOM

● SEMI-CUSTOM

● DISPOSITIVOS PROGRAMABLES: FPGA‘s

(21)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL DISEÑO CON MATRIZ DE PUERTAS

◗ LAS OBLEAS ESTÁN PREFABRICADAS

◗ INTERCONEXIÓN ENTRE TRANSISTORES: CAPAS DE METALIZACIÓN

◗ SE DISPONE DE LIBRERÍAS DE DISPOSITIVOS LÓGICOS

❑

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL LAYOUT DE MATRIZ DE PUERTAS

◗ PROCESO CMOS: OBLEA SIN METALIZAR: FILAS DE TRANSISTORES PMOS Y NMOS

◗ OBLEA METALIZADA: CON VARIOS NIVELES DE INTERCONEXIÓN

Vdd

Vss IN_1

IN_2

OUT

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: M

ATRIZ DE

P

UERTAS

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

EJEMPLO DE LAYOUT CON MATRIZ DE PUERTAS

(22)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

DETALLE DEL LAYOUT: NIVELS DE INTERCONEXIÓN

nivel de

interconexión

Vdd

nivel de

interconexión

GND

nivel de

interconexión

transistores PMOS

transistores NMOS

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: M

ATRIZ DE

P

UERTAS

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

EJEMPLO DE DISEÑO CON MATRIZ DE PUERTAS: MULTIPLEXOR 2:1

AREA DEL DISEÑO:

4100

µ

M

2

(23)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

VENTAJAS:

◗ LAS OBLEAS ESTÁN PREFABRICADAS

◗ SE REDUCE EL TIEMPO DE FABRICACIÓ

◗ LAS OBLEAS PREFABRICADAS SIRVEN PARA DIFERENTES DISEÑOS: SE

REDUCEN LOS COSTES

❑

INCONVENIENTES:

◗ SE PIERDEN PRESTACIONES: ÁREA, VELOCIDAD...

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

: M

ATRIZ DE

P

UERTAS

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

➥

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

● FULL-CUSTOM

● SEMI-CUSTOM

• CELDAS ESTÁNDARES • MATRIZ DE PUERTAS

● DISPOSITIVOS PROGRAMABLES: FPGA‘s

(24)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL DISEÑO CON DISPOSITIVOS LÓGICOS

PROGRAMABLES:

◗ CIRCUITO INTEGRADO FABRICADO PREPARADO PARA SER PROGRAMADO

◗ SE CAMBIA EL LAYOUT FINAL POR UN FICHERO DE CONFIGURACIÓN DEL

DISPOSITIVO

❑

ELECCIÓN DE LA FPGA COMO DISPOSITIVO PROGRAMABLE

◗ MAYOR DENSIDAD DE INTEGRACIÓN QUE OTROS DISPOSITIVOS

PROGRAMABLES

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

:D

ISPOSITIVOS PROGRAMABLES

.

FPGAS

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

METODOLOGÍA DE DISEÑO CON FPGAS

NIVEL ARQUITECTURAL

NIVEL DE TRANSFERENCIA ENTRE REGISTROS

NIVEL DE CONMUTACIÓN

VERIFICACIÓN

(25)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

CARACTERÍSTICAS DE LA PROGRAMACIÓN DEL FPGA

◗ EL PROGRAMA ES UN FICHERO QUE ALMACENA UN CADENA DE BITS

◗ ESTA CADENA DE BITS SE ALMACENA EN UNA RAM INTERNA DE LA FPGA LA CUAL CONFIGURA LA MATRIZ DE CONEXIONES DE LOS DISPOSITIVOS LÓGICOS

❑

CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN

◗ LA FUNCIONALIDAD DE LA FPGA QUEDA DETERMINADA POR EL DISEÑO

REALIZADO E IMPLEMENTADO MEDIANTE EL ADECUADO FICHERO DE CONFIGURACIÓN

◗ EN GENERAL, LA PROGRAMACIÓN SE MANTIENE MIENTRAS DURE LA

ALIMENTACIÓN PUDIENDO REPROGRAMARSE TANTAS VECES COMO SE QUIERA.

◗ LA VERIFICACIÓN DEL DISEÑO SE PUEDE REALIZAR SOBRE EL PROPIO CHIP SIN COSTE DE TIEMPO DE ESPERA PARA LA FABRICACIÓN

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

:D

ISPOSITIVOS PROGRAMABLES

.

FPGAS

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

ESTRUCTURA INTERNA A NIVEL LÓGICO DE LAS FPGA

ESQUEMA LÓGICO DE UN CLB

(FAMILIA XC300 DE XILINX)

ESQUEMA LÓGICO DE UN IOB

IOBs

CLBs

(26)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

ESTRUCTURA INTERNA : MATRICES DE INTERCONEXIÓN

Matrices de

conmutación

y

canales de

conexionado

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

:D

ISPOSITIVOS PROGRAMABLES

.

FPGAS

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

PROCESO DE GENERACIÓN DEL FICHERO DE CONFIGURACIÓN:

◗ 1.- DISTRIBUCIÓN DEL DISEÑO EN LAS CLBs

◗ 2.- PROGRAMACIÓN DE LA MATRIZ DE CONMUTACIÓN: ESTABLECER CANALES DE CONEXIÓN

❑

TAREAS AUTOMATIZADAS ATRAVÉS DEL SOFTWARE QUE

PROPORCIONA EL FABRICANTE DE LAS FPGA

❑

EJEMPLO DE FAMILIAS DE FPGAS: XILINX

FAMILIA PUERTAS

EQUIVALENTES CLBs IOBs

XC2000 1200 A 1800 64 A 100 58 A 74

XC3000 2000 A 9000 64 A 320 64 A 144

(27)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

VENTAJAS:

◗ SE ELIMINA EL TIEMPO DE FABRICACIÓN

❑

INCONVENIENTES:

◗ LAS CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DEPENDEN DEL CHIP DE FPGA DE QUE SE DISPONGA

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

:D

ISPOSITIVOS PROGRAMABLES

.

FPGAS

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

■

INTRODUCCIÓN

■

METODOLOGÍA DE DISEÑO

■

TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN DE CID

■

COMPARACIÓN ENTRE LAS TÉCNICAS DE IMPLEMENTACIÓN

● FACTORES DE TIPO TÉCNICO

● FACTORES DE TIPO ECONÓMICO

(28)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

FACTORES DE TIPO TÉCNICO:

ARQUITECTURA ARQUITECTURA ARQUITECTURA ARQUITECTURA

RT RT RT RT

CONMUTACIÓN CONMUTACIÓN CONMUTACIÓN CONMUTACIÓN ELÉCTRICO LAYOUT CONSTRUCCIÓN DE TRANSISTORES CONSTRUCCIÓN DE TRANSISTORES CAPAS DE METALIZACIÓN CAPAS DE METALIZACIÓN CAPAS DE METALIZACIÓN

PROCESO

DE DISEÑO

PROCESO DE

FABRICACIÓN

F-C

C E

M P

FPGA

FACILIDADES DE DISEÑO Y FABRICACIÓN

PRESTACIONES

C

OMPARACIÓN ENTRE LAS

T

ÉCNICAS DE

I

MPLEMENTACIÓN

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

FACTORES DE TIPO ECONÓMICO

COSTE TOTAL

◗ COSTE DE DESARROLLO (C.D.):

GASTOS DE DISEÑO

COSTE DEL PRIMER PROTOTIPO

◗ COSTE UNITARIO (C.U.):

COSTE POR UNIDAD GENERADO DURANTE EL PROCESO DE FABRICACIÓN Y TESTADO

(29)

M

ETODOLOGÍA

DE

DISEÑO

DE

C

IRCUITOS

I

NTEGRADOS

D

IGITALES

❑

FACTORES DE TIPO ECONÓMICO

ARQUITECTURA ARQUITECTURA ARQUITECTURA ARQUITECTURA

RT RT RT RT

CONMUTACIÓN CONMUTACIÓN CONMUTACIÓN CONMUTACIÓN ELÉCTRICO LAYOUT CONSTRUCCIÓN DE TRANSISTORES CONSTRUCCIÓN DE TRANSISTORES CAPAS DE METALIZACIÓN CAPAS DE METALIZACIÓN CAPAS DE METALIZACIÓN