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Microelectrónica
Tema 5: Metodologías de Diseño
Evolución de la tecnología
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En 1965 Gordon E. Moore, cofundador de Intel
enunció la que seconoce como “Ley de Moore”.
Ley de Moore: el nº de transistores por chip se duplica
cada dos años.
Se trata de una ley empírica, pero no ha dejado de
cumplirse desde entonces.
Se pueden hacer enunciados similares para:
−
Frecuencia de reloj
−
Capacidad de las memorias.
−
Prestaciones.
−
Tamaño de las programas.
1
Ley de Moore
1000
Media
2X cada 1,96 años
100
Transistores (MT)
10
486
1
Pentium® proc
386
286
0.1
0.01
8085
8086
8080
8008
4004
0.001
1970
1980
Cortesía de Intel
1990
2000
2010
Año
SoC: Sistemas en chip
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En la actualidad es posible integrar sistemas
completos en un chip:
−
Microprocesador, DSP.
−
Memoria.
−
Controladores de bus (memoria, PCI, USB, ...)
−
E/S (paralelo, Ethernet, RocketIO...)
−
Sensores y electrónica de acondicionamiento.
−
Etc.
Es lo que se conoce como SoC: System on
Chip.
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Ejemplo SoC
HW
SW
Memoria
incorporada
Microprocesador
ASIC
DSP
Circuitos
analógicos
Sensores
Interfaz de red
Electrónica de
alta velocidad
Complejidad
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La tecnología actual permite la fabricación de
sistemas muy complejos.
La tendencia es que la complejidad aumente
aún más.
Desgraciadamente no ocurre lo mismo con la
productividad de los diseñadores.
Según aumenta la complejidad el coste de
desarrollo se dispara.
3
Productividad
10,000
100,000
10,000
Tr./hombre mes
100
1,000
Tasa de crecimiento de la
complejidad del 58% anual
10
100
1
10
x
0.1
x x
x x
x
1
Tasa de crecimiento de la
productividad del 21% anual
x
x
Productividad
(K) Trans./hombre - mes
(M) Transistores lógicos por chip
Complejidad
Tr./Chip
1,000
0.1
0.01
Cortesía de ITRS
0.01
0.001
2009
2007
2005
2003
2001
1999
1997
1995
1993
1991
1989
1987
1985
1983
1981
Tiempo de desarrollo
Con la productividad de 1981, un equipo de 1000
personas habría tardado más de 35 años en
desarrollar un Pentium5 (42MT).
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En la actualidad la mayoría de los circuitos
quedan obsoletos en menos de dos años.
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Si un nuevo desarrollo no sale el primero al
mercado es posible que nunca resulte rentable.
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Coste de diseño
El aumento de complejidad también afecta al
coste de desarrollo. Con parámetros
relativamente actuales:
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−
Productividad de 15000 puertas/hombre-año.
−
Salario típico de $150.000.
−
Un sistema de 12 millones de puertas supondría:
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800 diseñadores durante un año.
$120 millones de coste.
Desafíos del diseño
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Tecnológicos:
−
Sistemas más complejos.
−
Mayor densidad de integración.
−
Mejores prestaciones.
−
Menor consumo.
Comerciales:
−
Ciclos de desarrollo cada vez más cortos.
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Diseño multidisplinar
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Antes lo habitual era que en cada
chip se emplease una sola
tecnología.
Con los SoC esto ha cambiado:
incorporan lógica, circuitos
analógicos, memoria...
También se incorporan bloques de
tecnología avanzada: FPGA,
memoria Flash, RF/microondas.
O más allá de la Electrónica:
MEMS (Micro Electro Mechanical
Systems), optoelectrónica.
¿Cómo enfrentar la complejidad?
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Nuevas y más potentes metodologías de
diseño.
Uso de abstracciones de más alto nivel.
Automatización del mayor número de tareas
posible con herramientas avanzadas.
Arquitecturas avanzadas basadas en la
modularidad.
Reutilización extensiva de los diseños.
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Captura y simulación
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El modelo detallado es
capturado en un modelo.
El modelo se simula.
Los resultados se usan para
mejorar eldiseño inicial.
Todas las decisiones las
toman los diseñadores del
sistema.
Jerarquía de abstracción (I)
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Nivel de disposición o de silicio:
descripción de la disposición física
(layout) de los CI.
Nivel de circuito: descripción
mediante circuitos detallados
formados por transistores,
resistencias y condensadores.
Nivel lógico o de puertas: descripción
mediante puertas lógicas
interconectadas.
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Jerarquía de abstracción (II)
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Nivel de transferencia de registros
o RTL: las operaciones se
describen como transferencias de
valores entre registros.
Nivel algorítmico: el sistema se
describe como un conjunto de
algoritmos concurrentes.
Nivel de sistema: el sistema se
describe como un conjunto de
procesadores y canales de
comunicación.
Diagrama de Gajski o de la Y
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Los tres dominios
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Dominio estructural (structural domain): los
componentes se describen en términos de
componentes más básicos interconectados.
Dominio comportamental (behavioral domain):
los componentes se describen en función de
como sus salidas responden a sus entradas.
Dominio físico/geométrico (physichal/
geometrical domain): los componentes se
dscriben en términos de sus posición y
características físicas.
El paradigma de descripción y
síntesis
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Se comienza por describir un diseño especificando su
comportamiento (behavioral specification). Esta
especificación suele ser demasiado abstracta como
para su implementación directa.
El diseño se refina añadiendo detalles estructurales
que posibiliten su realización física.
El diseño se evalúa mediante una función de coste y
se optimiza para minimizarla.
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Descripción y síntesis de alto nivel
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Se comienza por describir un diseño especificando su
comportamiento (behavioral specification).
El diseño se refina añadiendo detalles estructurales
que posibiliten su realización física.
El diseño se evalúa mediante una función de coste y
se optimiza para minimizarla.
Las herramientas permiten que el diseñador empiece
con un grado mucho mayor de abstracción y termine
con un menor grado de detalle.
Paradigma de diseño basado en IP
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IP (Intellectual Property): bloques constructivos
prediseñados y preverificados.
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Permiten la reutilización delos diseños.
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Pueden ser:
−
−
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“Duros” (hard IP): layout o netlist.
“Blandos” (soft IP): descripción HDL.
El diseño se reduce a:
−
Diseño de la interfaz entre IP's.
−
Verificación.
−
Test.
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Terminología básica
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Síntesis: transformar una representación en otra con
un grado menor de abstracción o una representación
comportamental en otra estructural del mismo nivel.
Análisis: estudiar una representación para descubrir
su comportamiento o comprobar sus propiedades.
Simulación: uso de un modelo software para estudiar
la respuesta de un sistema ante unos estímulos de
entrada.
Verificación: proceso por el que se determina que un
sistema funciona correctamente.
Optimización: modificación de la representación de un
diseño que mejora sus características.
Actividades de diseño
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Proceso típico de diseño Top-Down
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