jan m. rabaey anantha chandrakasan borivoje nikolic design...

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DesignDesignMethodologiesMethodologies

Jan M. RabaeyAnantha ChandrakasanBorivoje Nikolic

December 10, 2002

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Custom

Standard CellsCompiled Cells Macro Cells

Cell-based

Pre-diffused(Gate Arrays)

Pre-wired(FPGA's)

Array-based

Semicustom

Digital Circuit Implementation Approaches

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Progettazione dedicata a tutti i livelli del sistema, dalla topologia del circuito fino al livello fisico.

� Elevati costi di progetto� Elevati tempi (Time to market)

La progettazione custom si realizza ormai solo per la progettazione di celle di libreria

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Intel 4004

Courtesy Intel

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� L’idea di base è il riutilizzo di celle di libreria precedentemente progettate e ottimizzate

� Il costo della fase di progetto delle librerie viene ammortizzato grazie al riutilizzo

� Permette di sfruttare flussi automatici di progetto

� Gli approcci a celle si dividono in diverse classi a seconda della granularità delle celle

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� Le librerie di celle standard mettono a disposizione una vasta gamma di porte logiche (AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR, flip-flop)

� Moduli più complessi: MUX, Full Adder, Coder, ecc.

� Il layout del circuito viene generato automaticamente da una descrizione del circuito a più alto livello.

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Routing channel requirements arereduced by presenceof more interconnectlayers

Functionalmodule(RAM,multiplier, …)

Routingchannel

Logic cellFeedthrough cellR

ows

of c

ells

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� Le celle vanno riprogettate quando si migra verso una nuova tecnologia

� Spesso il layout e la caratterizzazione di una data libreria andrebbero modificati quando si effettuano ottimizzazioni nel processo all’interno della stessa tecnologia

� Esigenza di approcci automatici per la generazione automatica del layout a partire dalla rete di transistor

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� Sono celle più complesse� Moltiplicatori� Memorie� Microprocessori

Sono ottimizzate

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Intel 4004 (Intel 4004 (‘‘71)71)Intel 8080Intel 8080 Intel 8085Intel 8085

Intel 8286Intel 8286 Intel 8486Intel 8486Courtesy Intel

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[Brodersen92]

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Cell-structurehidden underinterconnect layers

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HDLHDL

Logic SynthesisLogic Synthesis

FloorplanningFloorplanning

PlacementPlacement

RoutingRouting

Tape-out

Circuit ExtractionCircuit Extraction

Pre-Layout Simulation

Pre-Layout Simulation

Post-Layout Simulation

Post-Layout Simulation

StructuralStructural

PhysicalPhysical

BehavioralBehavioralDesign Capture

Des

ign

Itera

tion

Des

ign

Itera

tion

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Le progettazioni Custom e Semi Custom (cell based) richiedono un processo di fabbricazione dedicato completo.

Un intero ciclo di processo dedicato è molto costoso a causa dell’elevato costo delle maschere litografiche

Esistono degli approcci diversi che non richiedono un ciclo completo del processo o che evitano del tutto un processo dedicato

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Pre-diffused(Gate Arrays)

Pre-wired(FPGA's)

Array-based

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� Gate array o sea-of-gates� Lotti di wafer che contengono matrici di celle

primitive o di transistor vengono fabbricati� Tutti i passi di fabbricazione necessari per

realizzare i transistor sono standardizzati e indipendenti dall’applicazione finale

� Le interconnessioni stabilite dal progettista finale determinano la funzionalità del chip, essa viene ottenuta con la deposizione dei metalli

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(��+�(��+�"" ��,�,��

rows of

cells

routing channel

uncommitted

VD D

GND

polysilicon

metal

possiblecontact

In1 In2 In3 In4

Out

UncommitedCell

CommittedCell(4-input NOR)

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� Chip che hanno subito l’intero processo di fabbricazione e non richiedono passi di processo dedicati alla particolare applicazione

� Programmabili in campo, senza ripassare dalla fonderia

� Fabbricazione e Implementazione sono due fasi completamente separate

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��+��+�

x0 x1 x2

ANDplane

x0x1

x2

Product terms

ORplane

f0 f1

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�� I5

I4

O0

I3

I2

I1

I0

O1

O2

O3

Programmable AND array

Programmable

OR array

Indicates programmable connection

Indicates fixed connection

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� PLA combinatori� PLA sequenziali (aggiunta di flip-flop)� Aggiunta di linee di retroazione

(feedback) dall’uscita verso l’array di porte AND di ingresso

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5I

4

O0

I3

I2

I1

I0

O1

O2

O3

Programmable AND array

Fixed OR array

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From Smith97

programmable AND array (2 i 3 jk ) k macrocells

j -wide OR array

j

macrocell

productterms

D Q

A

1

j

BCLK

OUT

C i i inputs

i inputs, j minterms/macrocell, k macrocells

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O 0

I 3 I 2 I 1 I 0

O 1O 2O 3

Fixed AND array

Programmable

OR array

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� Concetto di macrocella� Interconnessione programmabile di

macrocelle programmabili

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Classification of prewired arrays (or field-programmable devices):

� Based on Programming Technique� Fuse-based (program-once)� Non-volatile EPROM based� RAM based

� Programmable Logic Style� Mux� Look-up Table

� Programmable Interconnect Style� Channel-routing� Mesh networks

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)��)��*��)�(�*��)�(�

antifuse polysilicon ONO dielectric

n+ antifuse diffusion

2 l

From Smith97

Open by default, closed by applying current pulse

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� Antifuse� Ridotta area occupata dai fusibili� Non ammette modifiche � Tolleranza all’esposizione a radiazioni

ionizzanti (applicazioni spaziali e militari)

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� Memoria non volatile (EEPROM)� La configurazione permane anche in

assenza di alimentazione� Riprogrammabilità� Tensioni elevate per la programmazione e

per la cancellazione� Speciali processi di fabbricazione per

introdurre questo tipo di memorie dentro il chip

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� Memoria volatile (SRAM)� La configurazione si perde in assenza di

alimentazione� Riprogrammabilità� Incidenza del tempo di configurazione� Con i processi CMOS standard si possono

facilmente includere le SRAM nel chip� Riconfigurazione parziale dinamica� Facile aggiornamento della configurazione

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FA 0

B

S

1

Configuration

A B S F=0 0 0 00 X 1 X0 Y 1 Y0 Y X XYX 0 YY 0 XY 1 X X + Y1 0 X1 0 Y1 1 1 1

XYXY

XY

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Out

ln1 ln2

M e m o r y

In Out

00 0

01 1

10 1

11 0

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Courtesy Xilinx

D4

C1....C4

xxxxxx

D3

D2

D1

F4

F3

F2

F1

Logicfunction

ofxxx

Logicfunction

ofxxx

Logicfunction

ofxxx

xx

xx

4

xxxxxx

xxxxxxxx

xxx

xxxx xxxx xxxx

HP

Bitscontrol

Bitscontrol

Multiplexer Controlledby Configuration Program

x

xx

x

xx

xxx xx

xxxx

x

xxxxxx

xx

x

xx

xxx

xx

Xilinx 4000 Series

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��+��+��*��1��*��1��

Input/output pinProgrammed interconnection

InterconnectPoint

Horizontaltracks

Vertical tracks

Cell

M

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�� &�'��/��&�'��/

Switch Box

Connect Box

InterconnectPoint

Courtesy Dehon and Wawrzyniek

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2�� &�'��/2�� &�'��/

Use overlayed meshto support longer connections

Reduced fanout and reduced resistance

Courtesy Dehon and Wawrzyniek

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�� 3 �3

From Smith97

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�� 3�� 3��

LAB2

PIA

LAB1

LAB6

tPIA

tPIA

row channelcolumn channel

LAB

Courtesy Altera

Array-based(MAX 3000-7000)

Mesh-based(MAX 9000)

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Xilinx XC4000ex

Courtesy Xilinx

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