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E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Sistemas en un Chip (SoC) Tema 1: Migrando hacia SoCs 9Evolución de las tecnologías 9Evolución de las metodologías 9Reutilización de diseños ETSIT Diseño de sistemas en chip (SoC), 4º - Roberto Sarmiento La evolución tecnológica So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 1 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Densidades de integración crecientes 1998 Asic - 0.35 μm 2003 SoC - 0.1 μm So Memory, I/O P C Complejidad del diseño Î reutilización de diseños Alta densidad de potencia Necesidad de interconexiones de altas prestaciones y eficiencia Escalabilidad de la arquitectura de comunicaciones Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Densidades de integración crecientes Complejidad 58% 1.000 100 ¡ 10 0,1 x x 0,01 xx x 1 So diferencias crecientes ! 0,1 0,01 1 x 10 Productividad 21% x x C 0,001 0,0001 0,00001 2009 2007 2005 2001 2003 1999 1997 1995 1991 1993 1989 1987 1985 1983 0,001 Millones de transistores/hombre-mes 100 10.000 1981 Transistores por chip (Millones) Complejidad vs. Productividad Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 2 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Densidades de integración crecientes Progresión tecnológica Año 0 Año 1,5 x4 x2 ¡ Año 6 Año 3 So x16 Demanda creciente de recursos humanos ! C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Evolución tecnológica: potencia Elevadas densidades de potencia Densidad de potencia (W/cm2) 10000 1000 Tobera cohete Reactor nuclear 100 P6 10 Bebida caliente 386 So Pentium® pro C 486 1 1990 2000 2010 Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 3 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Evolución tecnológica: potencia Intel VP Patrick Gelsinger (ISSCC 2001) Al día siguiente las acciones de Intel bajaron un 8% Power Density (W/cm2) – “If scaling continues at present pace, by 2005, high speed processors would have power density of nuclear reactor, by 2010, a rocket nozzle, and by 2015, surface of sun” – “Business as 10000 usual will not work Rocket in the future.” Nozzle So 1000 Nuclear Reactor 100 C 8086 Hot Plate 10 4004 P6 8008 8085 Pentium® proc 386 286 486 8080 1 1970 1980 1990 Year 2000 2010 Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Salto creciente entre Computación vs. Comunicación So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 4 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Salto creciente entre Computación vs. Comunicación So C Taken from W.J. Dally presentation: Computer architecture is all about interconnect (it is now and it will be more so in 2010) HPCA Panel February 4, 2002 Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Costes de ingeniería no recursiva (NRE) Design Costs 100,00% Mask Costs Mfg. Costs Mfg. Cost 90,00% $10M $9M $8M 80,00% $7M 70,00% $6M 60,00% $5M 50,00% $4M Mask Cost 40,00% $3M 30,00% $2M 20,00% Design Cost 10,00% 0,00% 1995 (0.35um) 2003 (0.10um) So Mfg. Costs $1M $0M 1995 (0.35um) C Mask Costs Design Costs 1997 1999 (0.25um) (0.18um) 2001 2003 (0.13um) (0.10um) Assumptions: 6M → 70M transistors, 3 mask spins, 250K Units, transistor costs and productivity projected from the ITRS Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 5 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) SoC Fab Process So Courtesy of Lucent C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Evolución tecnológica 1018 transistores fabricados en 2003 – 100 millones para cada persona del planeta Global Semiconductor Billings (Billions of US$) 200 So 150 100 50 0 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 C 2000 2002 Year Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 6 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Mercado de electrónica de consumo 375 Digital camcorders Smart handheld devices 325 Information appliances 275 Digital still cameras Units (Million) Compressed audio players So 225 Digital satellite set-top boxes Digital cable set-top boxes 175 C Digital television Personal video recorders 125 DVD recorder deck 75 DVD play only 25 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Mercado de electrónica de consumo Crecimiento del mercado Microelectrónica: Influencia en los mercados Telefónos móviles muy alto alto Chip cards Automóvil Estaciones de trabajo medio bajo TV Analógica bajo Redes LAN WAN Hogar digital So PCs medio C alto Contenido en microelectrónica Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 7 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) S-O-C Application Classes Class Data flow Application laser printers, Xterminals, routers, bridges, image processing Interactive set-top boxes, video video & games, PDAs, portable portable info appliances Processor Requirements Processes data and passes it on. High memory bw, high throughput. R3900, Interactive, low R4100/4300/4 cost, low power, 600, ARM high throughput. 6xx/7xx, V851, R4600, I960, 29k, Coldfire, PPC (403, 605) SH1/2/3 So C Piranha, ARM, mix of CPU power, Classic controllers, disk MIPS, Cores embedded controllers, low cost, low power, automotive, industrial peripherals control MPEG2 High-end PDA Time-constrained computing systems. encoding Set-top Derivatives Set-top Games Video MPEG1 Audio z HQ Graphics Conferencing encoding & VOD+ Video Bridgin g Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Sistemas en un Chip (SoC) Tema 1: Migrando hacia SoCs 9Evolución de las tecnologías 9Evolución de las metodologías 9Reutilización de diseños Diseño de sistemas en chip (SoC), 4º - Roberto Sarmiento ETSIT ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 8 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Evolución del diseño microelectrónico So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Factores dominantes en el diseño • TTM & shrinking processes driving IC design • Cell based design moving toward digital IP increasing abstraction • Single chip solutions • Physical effects & increased design count add need for detail Time-to-Market Pressures Abstract Designer So Design Methodologies Tools & Flows Increasing Range C Detail Shrinking Process Technologies Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 9 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Metodología vs. tecnología 25-50K gates 2.0-1.5u No Design Reuse 1988-1990 Challenge: Gate-Level Simulation Linchpin Technology: Gate-Level Simulation Place & Route Multi-Million gates 0.35u-DSM Reuse 100-200K gates 0.6-0.5u Minimal Reuse 50-100K gates 1.0-0.8u No Design Reuse 1995-1996 1991-1994 Challenge: Managing Timing Problem Linchpin Technology: Design Planing Challenge: Increase Productivity Linchpin Technology: Synthesis Synthesis RTL/Gate Simulation Place & Route 1997Challenge: Keep design pace with process technology Linchpin Technology: Reuse System-level algorithmic design VC-authoring & verification So C Synthesis RTL/Gate Simulation Place & Route RTL/Gate Simulation Place & Route Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Transición a la Metodología SoC De Area-Driven (ADD) a Timing-Driven Design (TDD) De Block-Based (BBD) a Platform-Based Design (PBD) SRAM uP Core uP Core SRAM ROM Logic Logic Logic ADD TDD Soft I/F IP BBD So SRAM MPEG ROM USB MMC I/F Flash FIFO C Serial Logic PBD Design Methodology Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 10 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Metodologías de diseño So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Resumen de características Design Characteristics TDD BBD PBD 5000 to 250 gates 150K to 1.5M gates 300K gates and greater Design level RTL Behavioral/RTL Architecture and VC evaluation Design team Small, focused Multidisciplinary Multigroup, multidisciplinary Custom Blocks in context, custom interfaces Interfacing to system and bus None Opportunistic soft, firm and hard Planned firm and hard Synthesis, gate level architecture Floor planning, block architecture Silicion-compatible system architecture Gates and memory Functional, cluster, cores Virtual Components (VC) Bus architecture None or custom Custom Standardized/multiple application specific Test architecture None or scan Scan/JTAG/BIST/ custom Hierarchical, parallel scan/JTAG/BIST/Custo m None A/D, PLL Functions, interfaces RTL/gate Bus functional to cycle accurate/RTL/gate Mixed (ISS to RTL with hardware and software) Hard/soft functionality and interfaces Hard/soft interface only Design complexity Primary design Design reuse Primary optimization focus Primary design granularity Mixed signal Verification level Diseño de Hardware/software Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento co-verification None So C ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 11 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) TDD: Timing-Driven Design Demasiados ciclos entre la síntesis y el colocado sin conseguir resultados requeridos de área y tiempo Grandes tiempos para re-spin Crecimientos del tamaño del circuito no previstos en las últimas fases del proceso de diseño Continuadas re-optimizaciones de área, potencia y retardos Desarrollo de los vectores de test demasiado tardíamente. No se hace floorplanning a nivel de puerta o RTL Problemas para incorporar códigos RTL que llegan tarde Demasiados requerimientos para la tecnología Modelos no efectivos de la infraestructura del chip (reloj, test, potencia) para el floorplanning Mal uso de la lógica del datapath So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento TDD: Timing Driven Design DSM (Deep SubMicrom Tech.) introduce problemas en el manejo de las interconexiones y su modelado Complejidad de los diseños Time to market Atacar antes los compromisos entre verificación y diseño Tener en cuenta el problema de las interconexiones Se usa una metodología más centrada en el floorplan. Se requieren herramientas que permitan hacer el floorplanning y el análisis de tiempos Principal problema centrado en transformar el código RTL en Silicio Solución: adelantar las tareas de diseño físico So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 12 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Ventajas e inconvenientes del TDD So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento BBD: Block Based Design EL grupo de diseño se ha especializado en un subsistema o en alguna aplicación Se necesitan varios grupos trabajando en partes específicas del diseño Empiezan a existir problemas para la creación de bancos de prueba Problemas de interfaz entre los subsistemas Se empieza a pensar en bloques diseñados en otras compañías para acelerar el desarrollo de los productos Incremento en la complejidad del diseño Necesidad de reusar algunos diseños realizados con anterioridad So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 13 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) BBD: Block Based Design Se hace un modelado del comportamiento a nivel de sistema – Se resuelven los compromisos entre el hardware y el software – Se hace una verificación funcional hardware/software Se particiona el sistema a nivel de bloques y se generan los bloques RTL Las funciones para reutilizar están pobremente caracterizadas El proceso de verificación se realiza extrayendo bancos de prueba de la simulación a nivel de sistema Herramientas necesarias: So C – Herramientas de análisis algorítmico a nivel de sistemas y específicas según la aplicación – Herramientas para hacer el floorplan de cada uno de los bloques – Herramientas que integren la síntesis con el diseño físico Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Ventajas e inconvenientes del BBD So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 14 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) PBD: Platform Based Design Se pretende reusar los diseños realizados para otros proyectos Se aumenta la jerarquía de diseño Las ventajas principales son: – – Reduce el tiempo al mercado para el primer producto Acelera el desarrollo de productos derivados Síntomas para pasar de BBD a PBD – – – – – – So Varios grupos hacen bloques RTL con la misma función Se están perdiendo mercados similares a pesar de la experiencia y los recursos disponibles Errores a nivel funcional requieren muchas iteraciones en el diseño Los análisis post-mortems están demostrando que las soluciones arquitecturales son sub-óptimas Los procesos de test están necesitando mucho tiempo en las máquinas de test Los componentes virtuales (VC) existentes deben ser constantemente rediseñados C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento PBD: Platform Based Design La metodología es exactamente la misma que con BBD, pero se aumenta la productividad sobre la base de reusar diseños ya pre-hechos Dos áreas de trabajo: – Block authoring 9 9 9 – Integración a nivel de chip 9 9 So Los bloques se realizan con la metodología BBD, pero con interfaz estándar y flexible Se necesita hacer una estandarización de las interfaces y Seguir un estilo de diseño de sistemas virtuales C Se centra en el diseño y verificación de la arquitectura y en la interfaz entre bloques La integración se realiza sobre una estructura de buses definida y normalmente estándar Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 15 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) PBD: Platform Based Design Diseño con IPs (Intellectual Property, Propiedad Intelectual) 1 2 Idea Librería de IPs 4 3 Selección de IPs Realización del chip I/O pads Legacy core IP core Self-test control DSP core Interface control I/O pads Memory array User-defined logic I/O pads CPU core Embedded DRAM 1149.1 TAP controller Librerías disponibles a través de Internet So El chip se ensambla mediante programas y ordenadores C Se envía a fábrica a través de Internet Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento PBD: Platform Based Design Librerías de IPs 1 2 3 4 5 Idea Descripción de IP Integración de la librería de IPs Síntesis de IP Diseño físico Programa reutilización 6 5 So C 2ª fase 4 1ª fase 6 Integración en el chip Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 16 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) PBD: Platform Based Design System on a Chip (SoC) basado en: 9VC (Virtual Components) 9IP (Intellectual Properties) cores So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Block Authoring: tipos de IPs Soft cores (“code”) – Descripción HDL – Flexible: puede ser modificado para ajustarse a la aplicación – Independiente de la tecnología: puede ser re-sintetizado en varias tecnologías – Riesgo de copia elevado, dificultad de protección Firm cores (“code+structure”) So – Netlist a nivel de puerta listo para ser colocado y ruteado – Desarrollado en una tecnología Hard cores (“physical”) – – – – – C Listo para incluir en el chip Incluye layout y timing (totalmente dependiente de la tecnología) Fácilmente protegido La mayoría son procesadores y memoria Se dispone de los vectores de test funcionales o vectores ATPG Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 17 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Block Authoring: tipos de IPs Tipos de cores: 9Soft: en HDL 9Firm: código sintetizado 9Hard: en layout Reusabilidad So Portabilidad Flexibilidad C Más predecible Mejores prestaciones Menor tiempo al mercado Mayor costo Mayor esfuerzo de desarrollo Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Block Authoring: Portabilidad de los IPs La portabilidad está determinada por la independencia de tecnología y por el formato de los datos. – El tipo de IP determina la independencia tecnológica – Actualmente se usan formatos de datos estándar y privados Formatos de dominio público C, C++, VHDL, Verilog ASCII EDIF, SPICE SPICE Formatos privados (proprietary) So Synthesizable “subsets” BC/DC scripts, VCD, WGL DEF, SPEF, ITL, NLDM, TLF, MMF LEF, SPEF, GDSII DEF = Design Exchange Format (Cadence) SPEF = Standard Parasitic Extended Format (Cadence) GDSII = Layout format (Cadence) ITL = Interpolated Table Lookup cell-level timing model (Mentor) LEF = Layout Exchange Format (Cadence) C MMF = Motive Modeling Format (Viewlogic) NLDM = Non-linear Delay Model (Synopsys) TLF = Table Lookup Format (Cadence) VCD = Verilog Change Dump (Cadence) WGL = Waveform Graphical Language (TSSI) Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 18 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Block Authoring: Formas de proyectar un SOC Para una tecnología concreta – Desarrollados “In-House”, aprovechamiento máximo de la tecnología – Estrecha cooperación entre los desarrolladores de módulos y los diseñadores de sistemas, o – licencias cruzadas entre las partes Desarrollo de un componente concreto So – El que suministra el IP es diferente del que lo usa Suministradores de IPs (“Third party IP providers”) – El suministrador del IP quiere vender el componente no la tecnología, aunque haya profundos conocimientos tecnológicos incluidos en el IP – Retos tecnológicos y legales importantes ¿se puede realizar con éxito? ¿quién garantiza que el IP funciona como se requiere? ¿quién es el “culpable” si el producto no funciona correctamente ? C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Integración a nivel de chip: buses El sistema se integra mediante la conección con buses de todos los IPs Processor Processor Memory Bus Memory “backside cache” Bus Adaptor Bus Adaptor I/O Bus I/O Bus Normalmente existen dos tipos de buses: – Buses de procesador y memoria – Buses de entrada/salida (I/O) So C Los buses pueden ser dedicados (custom) o estándares Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 19 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) PBD: Platform Based Design So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Integración a nivel de sistemas: buses Los buses son la pesadilla en el diseño de SoCs 9 Variedad de interfaces dedicadas 9 Pobre separación entre computación y comunicación. 9 Complejidad de diseño 9 Prestaciones poco predecibles So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 20 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Integración a nivel de sistemas: buses También puede utilizarse un único bus: Backplane Bus Backplane Bus Processor Memory I/O Devices So Este bus (backplane bus) se usa para: – La comunicación entre el procesador y la memoria – La comunicación entre los dispositivos I/O y la memoria C Ventajas: simple y de bajo coste Desventajas: velocidad, el bus se puede convertir en el cuello de botella Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Network on a chip (NoC): Sonic So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 21 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Network on a chip (NoC): Sonic So C Computer bus aproach Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Network on a chip (NoC): Sonic So C Communication bus aproach Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 22 E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación Diseño de Sistemas en Chip (SoC) Network on a chip (NoC): Sonic So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento Ventajas e inconvenientes del PBD So C Diseño de Sistemas en Chip (SoC), 5º - Roberto Sarmiento ®«Roberto Sarmiento Rodríguez» 23