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Circuitos vlsi (4º curso)
TEMA 0. INTRODUCCIÓN
circuitos vlsi
Dr. José Fco. López
Desp. 307, Pab. A
lopez@iuma.ulpgc.es
Circuitos vlsi (4º curso)
Índice
Perspectiva histórica
Problemas en el diseño de Circuitos Integrados
Métricas de calidad en el diseño digital
• Coste de un circuito integrado
• Funcionalidad y robustez
• Prestaciones
• Consumo de energía y potencia
Estrategias de implementación para circuitos digitales
• Diseño de circuitos a medida
• Metodología de diseño basada en celdas
• Técnicas de implementación basadas en matrices
Circuitos vlsi (4º curso)
Perspectiva Histórica
El campo de la instrumentación fue uno de los primeros no
relacionados con la informática en los que se conocieron los
beneficios potenciales que el procesamiento digital de los datos
presentaba sobre el procesamiento analógico.
Sólo recientemente hemos sido testigos de la conversión de las
telecomunicaciones y la electrónica de consumo en formato digital.
DVD, vídeo compacto, reproductor MP3, telefonía 4G…
Circuitos vlsi (4º curso)
Perspectiva Histórica
La idea de implementar máquinas de procesamiento utilizando
un formato de datos codificado no es una idea contemporánea
A principios del siglo XIX, Babbage concibió unos dispositivos
mecánicos de computación a los que denominó máquina diferencial
1832
Charles Babbage (1792-1871)
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Perspectiva Histórica
Si bien el primer ábaco se desarrolló en el año 300 a.C., los primeros
signos de su utilización no se darían hasta el 1200 d.C. en China.
Este dispositivo revolucionó la industria del comercio, y todavía hoy
es utilizado en muchos países.
Ábaco moderno
Circuitos vlsi (4º curso)
Perspectiva Histórica
No fue hasta 450 años más tarde hasta cuando se realizó el primer
gran avance en computación, debido a Blaise Pascal
La calculadora Pascaline era tan avanzada para su época que poca
gente la utilizaba debido a su complejidad.
Blaise Pascal (1623-1662)
Pascaline
Primera calculadora automática operativa
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Perspectiva Histórica
Once años después de la muerte de Pascal, Leibniz desarrolló una
mejora de la Pascaline.
La calculadora de Leibniz fue diseñada en 1673 y fue construida
por primera vez en 1694. Permitía sumar, restar, multiplicar y dividir.
Calculadora Leibniz
Gottfried Wilhelm von Leibniz
(1646-1716)
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Perspectiva Histórica
25000
componentes
25000 euros
en 1834!!!!!
Charles Babbage
(1791-1871)
1834. Motor Analítico.
Concebido como una máquina de procesamiento
de propósito general, parecida a las modernas
computadoras
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Perspectiva Histórica
Reconocido por describir las características esenciales del primer
computador práctico en 1936.
“On computable numbers with an
application to the Entscheidungs
problem”
Turing desarrolló la idea de una “máquina
Universal” capaz de ejecutar cualquier
algoritmo, e introdujo la base del concepto
de “computabilidad”.
Alan Turing
(1912-1954)
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Perspectiva Histórica
La solución eléctrica resultó ser más eficiente desde el punto de
vista económico
Los primeros sistemas electrónicos digitales están basados en
conmutadores magnéticamente controlados (relés) y se utilizaban
en la implementación de redes lógicas muy sencillas
La era de la computación electrónica digital sólo dio verdaderos
comienzos con la introducción de los tubos de vacío, e inicialmente
sólo se utilizaba para realizar cálculos digitales
El culmen de las computadoras basadas en los tubos de vacío tuvo
lugar con…
Circuitos vlsi (4º curso)
Perspectiva Histórica
…ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator) en 1942.
18000 tubos de vacío, área prohibitiva, 180kW, 25m de largo, 3 de alto…
Utilizada entre 1946 y 1955, es considerada la primera computadora
digital exitosa de …
Circuitos vlsi (4º curso)
Perspectiva Histórica
…ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator) en 1942.
18000 tubos de vacío, área prohibitiva, 180kW, 25m de largo, 3 de alto…
Utilizada entre 1946 y 1955, es considerada la primera computadora
digital exitosa de alta velocidad (?????)
Circuitos vlsi (4º curso)
Perspectiva Histórica
Demostró que un computador debería tener una estructura muy
simple y fija, y ser capaz de ejecutar cualquier tipo de computación
mediante programación sin tener que modificar su estructura
Introdujo las subrutinas (IF, THEN, FOR…)
John von Neumann junto a ENIAC
(1903-1957)
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Perspectiva Histórica
Todo cambió con la invención del transistor en los laboratorios
Bell Telephone en 1947, seguido por la introducción del transistor
de unión bipolar por Schockley (1910-1989) en 1949.
Primer transistor en los laboratorios Bell, 1948
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Perspectiva Histórica
Shockley, Bardeen y Brattain recibieron el premio Nobel de Física
en 1956 por el desarrollo del transistor
Bardeen
Shockley
Brattain
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Perspectiva Histórica
En 1956 se desarrolló la primera puerta lógica digital bipolar
fabricada con componentes discretos.
En 1958, Jack Kilby, de Texas Instrument, inventó el primer circuito
integrado, en el cual todos los componentes, activos y pasivos,
se integran en un único substrato semiconductor.
Kilby recibió el Premio Nobel de Física en el año 2000, junto con
Alferov y Kroemer.
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Perspectiva Histórica
1962. Introducción de la primera familia lógica de circuitos
integrados con éxito, TTL (transistor-Transistor Logic)
Desarrollo de otras familias lógicas para obtener mayores
prestaciones en velocidad, ECL (Emitter-Coupled Logic)
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Perspectiva Histórica
Circuito Integrado ECL, Motorola 1966
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Perspectiva Histórica
1962. Introducción de la primera familia lógica de circuitos
integrados con éxito, TTL (transistor-Transistor Logic)
Desarrollo de otras familias lógicas para obtener mayores
Prestaciones en velocidad, ECL (Emitter-Coupled Logic)
Desarrollo de circuitos integrados MOS (pMOS y nMOS):
• 1970: primera memoria MOS de 4kbits
• Intel 4004 (1972)
• Intel 8080 (1974)
Finales de los 70s, desarrollo de circuitos integrados CMOS
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
La densidad de integración y las prestaciones de los circuitos
integrados han experimentado una increíble revolución en las
dos últimas décadas.
En 1960, Gordon Moore (co-fundador de Intel), predijo que el
número de transistores que se pueden integrar en un mismo chip
crecería exponencialmente con el tiempo (Ley de Moore)
Esta predicción ha
demostrado ser
sorprendentemente
visionaria
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
1959
1960
1961
1962
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
LOG2 OF THE NUMBER OF
COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Electronics, April 19, 1965.
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
Para el caso de los procesadores, desde su concepción a
principios de los 70, su complejidad ha crecido de forma constante
2x cada 1.96 años
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
La densidad de memoria se ha
multiplicado por más de 1000
desde 1970.
La frecuencias de reloj se han duplicado cada dos años en la
última década y ya sobrepasa el rango del GHz
10000
Frequency (Mhz)
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
Doubles every
2 years
1000
100
486
10
8085
1
0.1
1970
8086 286
P6
Pentium ® proc
386
8080
8008
4004
1980
1990
Year
2000
2010
El consumo de potencia también ha aumentado de forma constante
a lo largo de los años
100
Power (Watts)
Circuitos vlsi (4º curso)
Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
P6
Pentium ® proc
10
8086 286
1
8008
4004
486
386
8085
8080
0.1
1971
1974
1978
1985
1992
2000
Este consumo llegará a ser prohibitivo
100000
18KW
5KW
1.5KW
500W
10000
Power (Watts)
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
1000
100
Pentium® proc
286 486
8086 386
10
8085
8080
8008
1 4004
0.1
1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008
Year
10000
Power Density (W/cm2)
Circuitos vlsi (4º curso)
Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
Rocket
Nozzle
1000
Nuclear
Reactor
100
8086
Hot Plate
10 4004
P6
8008 8085
Pentium® proc
386
286
486
8080
1
1970
1980
1990
Year
2000
2010
Circuitos vlsi (4º curso)
Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
Esta revolución ha tenido un gran impacto en la forma de diseñar
los circuitos integrados digitales
Microprocesador Intel 4004 (1971)
2250 transistores
1 MHz
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
Esta revolución ha tenido un gran impacto en la forma de diseñar
los circuitos integrados digitales
Intel Pentium IV (2000)
De 1.4 a 2.4 GHz
Proceso de 0.13 m
42M de transistores
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Problemas en el Diseño de Circuitos Integrados
Los niveles de abstracción normalmente utilizados en el diseño de
CI digitales son:
SISTEMA
MÓDULO
+
PUERTA
CIRCUITO
S
n+
DISPOSITIVO
G
D
n+
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Métricas de calidad en el diseño digital
Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital
que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes
perspectivas, según sea su aplicación:
• Coste de un circuito integrado
Independientes del volumen de ventas y del número de
productos fabricados (ej. tiempo y mano de obra para realizar
el diseño, costes generales de la empresa…)
Costes fijos
Costes variables
Se atribuyen de manera directa a un producto manufacturado,
y son proporcionales al volumen de productos fabricados.
incluyen: coste de los componentes, costes de montaje, coste
de pruebas…
Circuitos vlsi (4º curso)
Métricas de calidad en el diseño digital
Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital
que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes
perspectivas, según sea su aplicación:
• Coste de un circuito integrado
 cos te _ fijo 
cos te _ total _ de _ CI  Coste _ var iable _ por _ CI  

 volumen 
El impacto de los costes fijos es más pronunciado cuanto menor sea el volumen de
producción.
cos te _ var iable 
cos te _ del _ dado  cos te _ de _ prueba _ del _ dado  cos te _ encapsulad o
ren dim iento _ de _ las _ pruebas _ finales
cos te _ del _ dado 
cos te _ oblea
dado _ por _ oblea  ren dim iento _ de _ los _ dados
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Métricas de calidad en el diseño digital
Circuitos vlsi (4º curso)
Métricas de calidad en el diseño digital
Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital
que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes
perspectivas, según sea su aplicación:
• Coste de un circuito integrado
 cos te _ fijo 
cos te _ total _ de _ CI  Coste _ var iable _ por _ CI  

 volumen 
El impacto de los costes fijos es más pronunciado cuanto menor sea el volumen de
producción.
cos te _ var iable 
cos te _ del _ dado  cos te _ de _ prueba _ del _ dado  cos te _ encapsulad o
ren dim iento _ de _ las _ pruebas _ finales
cos te _ del _ dado 
cos te _ oblea
dado _ por _ oblea  ren dim iento _ de _ los _ dados
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Métricas de calidad en el diseño digital
Chip
Metal Line
layers width
Wafer
cost
Def./ Area Dies/ Yield
cm2 mm2 wafer
Die
cost
386DX
2
0.90
$900
1.0
43
360
71%
$4
486 DX2
3
0.80
$1200
1.0
81
181
54%
$12
Power PC
601
4
0.80
$1700
1.3
121
115
28%
$53
HP PA 7100
3
0.80
$1300
1.0
196
66
27%
$73
DEC Alpha
3
0.70
$1500
1.2
234
53
19%
$149
Super Sparc
3
0.70
$1700
1.6
256
48
13%
$272
Pentium
3
0.80
$1500
1.5
296
40
9%
$417
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Métricas de calidad en el diseño digital
Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital
que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes
perspectivas, según sea su aplicación:
• Coste de un circuito integrado
• Funcionalidad y robustez
• Uno de los requisitos principales para un circuito digital es que éste
lleve a cabo su función. Pero el comportamiento medido en un circuito
suele desviarse de la respuesta esperada. Una razón es la variación
en el proceso de fabricación.
• La presencia de fuentes de ruido dentro o fuera del chip es otra causa
de desviación en la respuesta de un circuito. Las señales de ruido
pueden entrar en un circuito de muchas maneras.
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Métricas de calidad en el diseño digital
v(t)
V DD
i(t)
Acoplamiento
inductivo
Acoplamiento
capacitivo
Ruido de alimentación
y tierra
• El ruido es uno de los problemas principales den la ingeniería de circuitos
digitales, y uno de los principales desafíos en el diseño de circuitos digitales de
altas prestaciones es cómo enfrentarse a todas estas perturbaciones
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Métricas de calidad en el diseño digital
Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez:
comportamiento estático de una puerta lógica
• Curva de transferencia de tensión
V(y)
V
f
OH
V(y)=V(x)
V M Switching Threshold
VOL
VIL
V
IH
V(x)
Nominal Voltage Levels
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Métricas de calidad en el diseño digital
Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez:
comportamiento estático de una puerta lógica
• Curva de transferencia de tensión
V
“ 1”
V
OH
V
V
IH
out
Slope = -1
OH
Región
indefinida
V
“ 0”
V
Slope = -1
IL
V
OL
OL
V
IL
V
IH
V
in
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Métricas de calidad en el diseño digital
Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez:
comportamiento estático de una puerta lógica
• Márgenes de Ruido
Para que una puerta sea robusta e insensible a las perturbaciones de ruido,
los intervalos de “0” y de “1” debe ser lo más grande posibles. Una medida
de la sensibilidad al ruido de una puerta es la dada por los márgenes de
ruido.
"1"
V
OH
NMH: Margen de ruido alto
NM H
V
IH
Región indefinida
V
OL
"0"
NM L
V
IL
NML: Margen de ruido bajo
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Métricas de calidad en el diseño digital
Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez:
comportamiento estático de una puerta lógica
• Propiedad regenerativa
Un gran margen de ruido es deseable, pero además se debe garantizar que
una señal perturbada converja gradualmente de nuevo hacia hacia uno de
los niveles de tensión nominales después de pasar a través de una serie de
etapas lógicas.
v0
v1
v2
v3
v4
v5
v6
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Métricas de calidad en el diseño digital
Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez:
comportamiento estático de una puerta lógica
• Inmunidad al ruido
El margen de ruido expresa la capacidad de un circuito para
“sobreponerse” a una fuente de ruido; la inmunidad al ruido, por el contrario
expresa la capacidad del sistema para procesar y transmitir información
correctamente en presencia de ruido.
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Métricas de calidad en el diseño digital
Algunas consideraciones sobre funcionalidad y robustez:
comportamiento estático de una puerta lógica
• La puerta digital ideal
V out
Ri = 
Ro = 0
Fan-out = 
NMH = NML = VDD/2
g=
V in
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Métricas de calidad en el diseño digital
5.0
4.0
NM L
3.0
2.0
VM
NM H
1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
V in (V)
4.0
5.0
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Métricas de calidad en el diseño digital
Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital
que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes
perspectivas, según sea su aplicación:
• Coste de un circuito integrado
• Funcionalidad y robustez
• Prestaciones
• Desde el punto de vista de un diseñador, las prestaciones de un
circuito digital expresan su capacidad de procesamiento. Cuando nos
centramos en cuestiones puras de diseño, las prestaciones se suelen
expresar mediante la duración del periodo de reloj y su relación con:
• Tiempo de propagación de las señales
• Tiempo que los datos tardan en entrar y salir de registros
• Incertidumbre en los instantes de llegada del reloj
•…
Circuitos vlsi (4º curso)
Métricas de calidad en el diseño digital
Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital
que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes
perspectivas, según sea su aplicación:
• Coste de un circuito integrado
• Funcionalidad y robustez
• Prestaciones
• Desde el punto de vista de un diseñador, las prestaciones de un
circuito digital expresan su capacidad de procesamiento. Cuando nos
centramos en cuestiones puras de diseño, las prestaciones se suelen
expresar mediante la duración del periodo de reloj y su relación con:
• Tiempo de propagación de las señales
• Tiempo que los datos tardan en entrar y salir de registros
• Incertidumbre en los instantes de llegada del reloj
•…
Circuitos vlsi (4º curso)
Métricas de calidad en el diseño digital
Circuitos vlsi (4º curso)
Métricas de calidad en el diseño digital
Se definen una serie de propiedades básicas en el diseño digital
que ayudan a cuantificar la calidad de un diseño desde diferentes
perspectivas, según sea su aplicación:
• Coste de un circuito integrado
• Funcionalidad y robustez
• Prestaciones
• Consumo de energía y de potencia
• La potencia consumida por un diseño determina cuánta energía
se consume en cada operación y cuánto calor disipa el circuito. Influye
en:
• La capacidad de la fuente de alimentación
• La duración de la batería
• El dimensionado de las líneas de alimentación
• El encapsulado
• Los requisitos de disipación
•…
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Diseñar un circuito con varios millones de transistores y garantizar
que funcione correctamente cuando se disponga de silicio es una
tarea enormemente complicada que resulta prácticamente imposible
sin la ayuda de herramientas informáticas y metodologías de diseño
bien definidas.
Intel 4004
2250 ttores
Intel Pentium IV
42 millones de ttores
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Diseñar un circuito con varios millones de transistores y garantizar
que funcione correctamente cuando se disponga de silicio es una
tarea enormemente complicada que resulta prácticamente imposible
sin la ayuda de herramientas informáticas y metodologías de diseño
bien definidas.
A menudo se sugiere que los avances de la tecnología van a un
ritmo más rápido que lo que la comunidad de diseñadores puede
absorber.
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Complejidad del diseño Vs productividad del diseño
Fuente: Sematech 1997
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Diseñar un circuito con varios millones de transistores y garantizar
que funcione correctamente cuando se disponga de silicio es una
tarea enormemente complicada que resulta prácticamente imposible
sin la ayuda de herramientas informáticas y metodologías de diseño
bien definidas.
A menudo se sugiere que los avances de la tecnología van a un
ritmo más rápido que lo que la comunidad de diseñadores puede
absorber.
Aproximadamente una vez por década podemos asistir a la
introducción de una nueva metodología de diseño que provoca un
salto en la productividad del diseño, ayudando temporalmente a
reducir la separación: diseño personalizado, PLA, células estándar,
macroceldas, compiladores de módulo, matrices de puertas,
hardware reconfigurable…
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Estrategias de implementación para circuitos digitales
Métodos e implementación de circuitos digitales
Personalizado
Semipersonalizado
Basado en Celdas
Celdas estándar
Macroceldas
Basado en matrices
Matrices de puertas
FPGAs
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Intel 4004
2250 ttores
PERSONALIZADO
Intel Pentium IV
42 millones de ttores
SEMIPERSONALIZADO
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Métodos e implementación de circuitos digitales
Personalizado
Semipersonalizado
Basado en Celdas
Celdas estándar
Basado en matrices
Cuando las prestaciones o la densidad del diseño tienen
una importancia crucial, la única opción factible parece
ser la de realizar aMatrices
mano de
la puertas
topología y diseño
físico del
macroceldas
FPGAs
circuito. Este enfoque era la única opción existente en
las primeros días de la microelectrónica digital.
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Métodos e implementación de circuitos digitales
Personalizado
Semipersonalizado
Basado en Celdas
Celdas estándar
Macroceldas
Cuanto más corto sea el
tiempo de diseño, mayor es
el coste que hay que pagar
en densidad de integración
o prestaciones
Basado en matrices
Matrices de puertas
FPGAs
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Métodos e implementación de circuitos digitales
Personalizado
Semipersonalizado
Basado en Celdas
Celdas estándar
Macroceldas
Cuanto más corto sea el
tiempo de diseño, mayor es
el coste que hay que pagar
en densidad de integración
o prestaciones
Basado en matrices
Matrices de puertas
FPGAs
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Métodos e implementación de circuitos digitales
Personalizado
Semipersonalizado
Basado en Celdas
Celdas estándar
Macroceldas
Basado en matrices
Matrices de puertas
FPGAs
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Celda lógica
Celda de paso
Canal de
interconexión
Módulo funcional
(RAM, sumador,
multiplicador…)
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Métodos e implementación de circuitos digitales
Personalizado
Semipersonalizado
Basado en Celdas
Celdas estándar
Macroceldas
Basado en matrices
Matrices de puertas
FPGAs
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
25632 SRAM
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Multiplicador 88
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Métodos e implementación de circuitos digitales
Personalizado
Semipersonalizado
Basado en Celdas
Celdas estándar
Macroceldas
Basado en matrices
Matrices de puertas
FPGAs
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
polysilicon
VD D
metal
possible
contact
GND
In 1 In 2
Celda primitiva de
matriz de puertas
rows of
uncommitted
cells
In 3 In4
Celda programada
implementando una
NOR de 4 entradas
Out
Ejemplo de matriz de puertas
routing
channel
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Matriz de puertas
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Métodos e implementación de circuitos digitales
Personalizado
Semipersonalizado
Basado en Celdas
Celdas estándar
Macroceldas
Basado en matrices
Matrices de puertas
FPGAs
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
antifuse polysilicon
ONO dielectric
n+ antifuse diffusion
2l
FPGA de una única escritura o basada en elementos fusibles
FPGA no volátil
FPGA volátil o basada en RAM
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales
Circuitos vlsi (4º curso)
Estrategias de implementación para circuitos digitales