Bài giảng Thiết kế IC - Phần 2: FPGA, ASIC

9/5/2011

1/4

1980s, VLSI xuất hiện ꢀ thiết kế IC theo nhu cầu.

Phần II:

Độ phức

tạp tăng

40% mỗi

năm.

Nhu cầu

thiết kế

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)

tăng 15%

mỗi năm

Mức ñộ tích hợp của PCB trên mỗi die

2/4

3/4

Intel 4004 (1971) - thiết kế thủ công

Mật ñộ

(Gb/cm²)

Tốc ñộ truy

xuất (ns)

Silicon, 2010

DRAM

8.5

2.5

10

DRAM (logic)

SRAM (cache)

Die Area: 2.5x2.5 cm

Voltage: 0.6 V

Technology:0.07 µm

0.3

1.5

Mật ñộ

(Mgate/cm²)

Năng lượng

(W/cm²)

Xung ñồng hồ

(GHz)

Custom

25

10

5

54

3

1.5

1

Std. Cell

Gate

27

18

Single-Mask GA

FPGA

2.5

0.3

12.5

4.5

0.7

0.25

email [email protected].vn

29

email [email protected].vn

30

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.

Hội nghị các vi mạch tùy biến theo khách hàng

của IEEE ñưa ra các tài liệu hướng dẫn phát triển

custom IC.

ASIC: chip cho ñồ chơi biết nói, chip cho 1 vệ tinh, chip

cho bộ xử lý dưới dạng cell cùng với mạch logic.

Thiết kế = IC chuẩn + custom IC

Qui tắc phổ biến: “Nếu một IC xuất hiện trong

sách tra cứu, thì ñó không phải là ASIC”.

Từ custom IC ꢀ thuật ngữ Application Specific IC

Application Specific Standard Product.

email [email protected].vn

31

1/2

2/2

ASIC ñem lại cơ hội sản xuất với số lượng lớn;

Có công cụ CAD cần thiết ñể ñạt ñược hiệu quả

trong chiến lược thiết kế:

các bộ phận ñược tiêu chuẩn hóa ñể nhanh chóng

trở thành sản phẩm thương mại.

Giá thành giảm theo số lượng.

Thiết kế mức hệ thống: VHDL

Thiết kế mức vật lý, từ VHDL tới silicon, timing closure

(Monterey, Magma, Synopsys, Cadence, Avant!)

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 [email protected].vn

33

email [email protected].vn

34

2

9/5/2011

Ý tưởng thiết kế

Đặc tả thiết kế

Simulink

Thiết kế là một quá trình liên tục cân ñối các tham

số ñầu vào, ñể ñạt ñược hiệu quả mong ñợi.

Thiết kế hệ thống

c := a + b;

if (c == 1) then cf := 1;

HDL

Hiệu năng

Giả lập

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

Thiết kế mức cổng

Tổng hợp

Kích thước die

Synopsys

Thư viện

cell

• chi phí sản xuất

Giả lập

Layout

Thời gian thiết kế

Cadence

Novelus

Kiểm tra Layout

Sản xuất

• lập lịch và chi phí nghiên cứu

Test và Stability Test

Kiểm thử chip

Sản phẩm

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

email [email protected].vn

35

email [email protected].vn

36

1/2

CPLD

FPGA

Mức hệ thống

• Thiết kế rất

phức

tạp, hàng

trăm man-

year

• Các cell là

Flip-

• Dựa trên

công nghệ

ROM/PROM,

cấu tạo chỉ

gồm các lớp

cổng

AND, OR và

một số Flip

Flop.

• Các trans tạo

sẵn thảnh

Flop, gate,

hoặc bộ xử

lý ñã ñược

ñịnh nghĩa

trước, ñược

tái sử dụng

lại,

mảng, và

nhà thiết kế

thực hiện

Mức mô-ñun

chức năng

việc tạo các

liên kết nối

giữa chúng

bằng cách

sử dụng các

thư viện cell

và CAD.

• ~ 25M gate

Mức cổng

Mức mạch

• Phải sản

xuất với số

lượng cực

lớn mới

• Sản xuất

với số

lượng 100k

sản phẩm/

năm

• Sản phẩm

khá ñơn giản

với khoảng

1K gate.

• Sản xuất ñơn

lẻ ñược.

Mức thiết bị

• Sản xuất ñơn

lẻ ñược

email [email protected].vn

37

email [email protected].vn

38

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

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.

người dùng

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 ꢀ tốn

thời gian, và tiền bạc.

ꢀ cần hệ nền kiểm thử phần cứng nhanh chóng.

email [email protected].vn

39

email [email protected].vn

40

2/4

3/4

Năm 1984, Ross Freeman, Bernard

Phát sinh thứ 2:

Vonderschmitt, ñồng sáng lập công ty Xillinx.

Các nhà sản xuất lớn chỉ cung cấp các chip

thông dụng trên thị trường, với số lượng lớn.

ꢀ bỏ qua nhu cầu về các IC chuyên dụng có số

lượng thấp, nhưng tổng nhu cầu thì rất lớn.

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.

Phát sinh thứ 3:

FPGA dựa trên các công nghệ nền tảng như

PROM và PLD, nhưng với kiến trúc mới hiệu

quả hơn.

Ban ñầu, các chip lập trình ñược có giá thành

khá cao và tốc ñộ chậm, chỉ sử dụng trong các

phòng thí nghiệm.

Các thiết kế IC ñược thử nghiệm prototype trên

các chip FPGA ngay lập tức ꢀ tiết kiệm thời

gian và tiền bạc.

Khi công nghệ sản xuất phát triển vượt bậc, thì

các chip lập trình ñược ngày càng mạnh và rẻ

ꢀ ứng dụng ñại trà.

email [email protected].vn

41

email [email protected].vn

42

4

9/5/2011

4/4

vs

CustomIC

FPGA

Hệ quả: Chân trời mới

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 ꢀ tự do sáng tạo.

Chi phí chế tạo lớn

Chi phí chế tạo thấp

Tối ưu tính năng

Sản xuất nhỏ

Tối ưu tốc ñộ, năng

lượng…

Sản xuất lớn

email [email protected].vn

43

email [email protected].vn

44

1/2

IP-based

Nguyên nhân sử dụng chip ASIC prototyping

System On Chip

Hard IP

Other

3%

Easiest to

use

EDA

Tools

4%

Soft IP

Quality,

Reliability

9%

Flexibility &

Expandability

31%

Others

Platform-based

Complete

Solution

18%

EDA

Tools

Soft IP

Hard IP

Best

Lowest Cost

17%

Performance

(thoughput

speed)

Lowest

Power

3%

EDA

Tools

Others

15%

Derivative

Application specific integration platform

email [email protected].vn

45

46

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 [email protected].vn

47

email [email protected].vn

48

6

Bài giảng Thiết kế IC - Phần 2: FPGA, ASIC - Nguyễn Đức Tiến