Title Layout Chương mở đầu Tổng quan VLSI THIẾT KẾ HỆ THỐNG VLSI Vai trò của VLSI và lịch sử phát triển • Vi mạch điện tử đóng vai trò quan trọng trong đời sống và các ngành công nghiệp như năng lượng[.]
THIẾT KẾ HỆ THỐNG VLSI Chương mở đầu: Tổng quan VLSI Vai trò VLSI lịch sử phát triển • Vi mạch điện tử đóng vai trị quan trọng đời sống ngành công nghiệp như: lượng, điện tử công nghiệp, điện tử tiêu dùng, viễn thơng, điều khiển tự động, CNTT, khí xác, hàng không ngành Công nghiệp dân dụng, nông nghiệp, dịch vụ thẻ smart, thương mại điện tử, cơng nghiệp quốc phịng… • Hệ thống vi mạch tích hợp mật độ cao VLSI (Very large scale integrated circuits) (MSILSIVLSI) • Số lượng transistor đơn vị cm2 gia tăng chóng mặt • Cơng nghệ vi mạch mức 5nm, tiến tới 1nm tương lai vài năm tới • Định luật Moore: số lượng transistor (bóng bán dẫn) tăng gấp đơi sau 18 tháng • Giá trị thương mại ngành công nghiệp bán dẫn silic gia tăng nhanh, trung bình 8,6%/năm, có giá trị thị trường hàng ngàn tỷ USD Sơ đồ tổng quan thiết kế VLSI • Các bước (step, section) dịng chảy tiến trình: bước • Mỗi bước đảm nhiệm khâu riêng biệt • Các khâu có mối quan hệ chặt chẽ với khơng thể tách rời CHU TRÌNH THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG VLSI Chu trình thiết kế hệ thống VLSI thực tế Các tiêu kỹ thuật hệ thống Xác định tiêu kỹ thuật chất lượng • Chất lượng hoạt động hệ thống như: tốc độ, cơng suất, mật độ tích hợp, trễ… • Các tính mà hệ thống phải/có thể đáp ứng • Kích thước vật lý: diện tích vùng die • Kỹ thuật phương pháp thiết kế • Công nghệ sử dụng để sản xuất: ebeam writing, DUV-photolithography, kỹ thuật ăn mòn… Lựa chọn thiết kế kiến trúc cho hệ thống • Sử dụng kiến trúc cho chip xử lý RISC/CISC? • Số lượng ALU, GPU • Xử lý dấu phảy động • Số lượng lõi, nhân • Số lượng cấu trúc pipeline • Kích thước nhớ cache Xác định khối chức hoạt động khối • Xác định khối chức hệ thống VLSI chip • Các mơ tả tổng quát cho khối tương tác khối mạch • Hoạt động trạng thái vào xung nhịp • Kỹ thuật/phương pháp thiết kế • Phương pháp mô hệ thống Thiết kế logic hệ thống • Chu trình điều khiển hệ thống • Độ rộng đơn vị liệu, ghi • Mơ tả RTL (Register Transfer Level) • Các biểu diễn logic Boolean tối thiểu • Kích cỡ nhớ đệm (cache) Thiết kế mạch • Hiện thực hóa mạch điện biểu thức logic • Thực thiết kế mức transistor, thiết kế cổng, kết nối data path, thiết kế chuẩn • Kiểm tra lại tính đắn hoạt động cấp xung nhịp đồng hồ định thời • Mơ tả ngơn ngữ mơ tả phần cứng Verilog, VHDL Multi-input Adders • Suppose we want to add k N-bit words • Ex: 0001 + 0111 + 1101 + 0010 = 10111 • Straightforward solution: k-1 N-input CPAs • Large and slow 0001 0111 1101 0010 + 1000 + 10101 + 10111 340 18: Datapath Functional Units Carry Save Addition • A full adder sums inputs and produces outputs • Carry output has twice weight of sum output • N full adders in parallel are called carry save adder • Produce N sums and N carry outs X4 C4 S4 Y4 Z4 X3 Y3 Z3 X2 C3 S3 C2 S2 Y2 Z2 X1 Y Z1 C1 S1 XN YN ZN n-bit CSA CN 341 SN 18: Datapath Functional Units CSA Application • Use k-2 stages of CSAs • Keep result in carry-save redundant form • Final CPA computes actual result 0001 0001 0111 1101 0010 0111 +1101 1011 4-bit CSA 0101_ 0101_ 1011 0101_ 1011 5-bit CSA +0010 01010_ 00011 00011 01010_ + 01010_ 10111 + 00011 10111 342 X Y Z S C X Y Z S C A B S 18: Datapath Functional Units Multiplication • Example: 1100 : 1210 0101 : 510 1100 0000 1100 0000 00111100 : 6010 multiplicand multiplier partial products product • M x N-bit multiplication • Produce N M-bit partial products • Sum these to produce M+N-bit product 343 18: Datapath Functional Units General Form • Multiplicand: Y = (yM-1, yM-2, …, y1, y0) • Multiplier: X = (xN-1, xN-2, …, x1, x0) N 1 N 1 M 1 M 1 P y j j xi 2i xi y j 2i j i 0 j 0 j 0 i 0 • Product: multiplicand y y y y y y p11 344 x5 x4 x3 x2 x1 x0 x0y5 x0y4 x0y3 x0y2 x0y1 x0y0 x1y5 x1y4 x1y3 x1y2 x1y1 x1y0 x2y5 x2y4 x2y3 x2y2 x2y1 x2y0 x3y5 x3y4 x3y3 x3y2 x3y1 x3y0 x4y5 x4y4 x4y3 x4y2 x4y1 x4y0 x5y5 x5y4 x5y3 x5y2 x5y1 x5y0 p10 p9 p8 p7 p6 p5 p4 p3 p2 multiplier partial products p1 p0 product 18: Datapath Functional Units Dot Diagram • Each dot represents a bit x0 partial products multiplier x x15 345 18: Datapath Functional Units Array Multiplier y3 y2 y1 y0 x0 x1 CSA Array x2 x3 CPA p7 p6 p5 p4 p3 p2 p1 p0 A B critical path Sin A Cin Cout = Cout 346 B Sin B Cout A Sout Cin Cin Sout A = Cout B Cin Sout Sout 18: Datapath Functional Units Rectangular Array • Squash array to fit rectangular floorplan y y y y x0 p0 x1 p1 x2 p2 x3 p3 p7 347 p6 p5 p4 18: Datapath Functional Units Fewer Partial Products • Array multiplier requires N partial products • If we looked at groups of r bits, we could form N/r partial products • Faster and smaller? • Called radix-2r encoding • Ex: r = 2: look at pairs of bits • Form partial products of 0, Y, 2Y, 3Y • First three are easy, but 3Y requires adder 348 18: Datapath Functional Units Booth Encoding • Instead of 3Y, try –Y, then increment next partial product to add 4Y • Similarly, for 2Y, try –2Y + 4Y in next partial product 349 18: Datapath Functional Units Booth Hardware • Booth encoder generates control lines for each PP • Booth selectors choose PP bits 350 18: Datapath Functional Units Sign Extension • Partial products can be negative • Require sign extension, which is cumbersome • High fanout on most significant bit s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s PP0 PP1 PP2 s s s x-1 x0 PP3 PP4 multiplier x s s s s s s s s PP5 PP6 PP7 PP8 351 x15 x16 x17 18: Datapath Functional Units Simplified Sign Ext • Sign bits are either all 0’s or all 1’s • Note that all 0’s is all 1’s + in proper column • Use this to reduce loading on MSB s 1 1 1 1 1 1 1 s 1 1 1 1 1 1 s 1 1 1 1 1 s 1 1 1 1 s 1 1 1 s 1 1 s 1 s s s s s s s s s PP0 PP1 PP2 PP3 PP4 PP5 PP6 PP7 PP8 352 18: Datapath Functional Units Even Simpler Sign Ext • No need to add all the 1’s in hardware • Precompute the answer! s s s s s s s s s s s s s s s s s s 353 PP0 PP1 PP2 PP3 PP4 PP5 PP6 PP7 PP8 18: Datapath Functional Units Advanced Multiplication • Signed vs unsigned inputs • Higher radix Booth encoding • Array vs tree CSA networks 354 18: Datapath Functional Units