tổng hợp luận lý vi mạch

BK TP.HCM 2008 dce Tổng hợpluậnlývi mạch 2010 dce Giớithiệu •Mônhọc: Tổng hợpluậnlývi mạch –Mãsố: –Số tín chỉ: 3 •Giảng viên: – Dr. Tran Ngoc Thinh • Email: tnthinh@cse.hcmut.edu.vn • Phone: 8647256 (5843) • Office: A3 building, • Office hours: Tuesdays, 9:30-11:00 2 2010 dce Giớithiệumônhọc •Nội dung: –Giớithiệuvề thiếtkế vi mạch –Biến đổitừ các đặctả ngôn ngữ HDL –Nắm quy trình tổng hợp, kiểmtra, kiểmthử các mạch 2 lớpvànhiềulớp • Đốitượng: – Sinh viên cao học – Sinh viên đạihọcnăm3-4 • Đánh giá –Tiểuluận: 30% – Trình bày: 30% –Kiểmtracuốikỳ: 40% 3 2010 dce Nội dung môn học •Tổng quan về thiếtkế luậnlývi mạch •Mạch tổ hợp2 mức •Tổng hợpmạch tổ hợp2 mức •Kiểmthử mạch tổ hợp2 mức •Mạch tổ hợp nhiềumức •Tổng hợpmạch tổ hợp nhiềumức •Kiểmthử mạch tổ hợp nhiềumức 4 2010 dce Tài liệu tham khảo [1]. Logic Senthesis – Srinivas Devadas, Abhijit Ghosh, Kurt Keutzer [2]. Synthesis and Optimization of Digital Circuits – Giovanni De Micheli 5 BK TP.HCM 2008 dce Chương 1: Giớithiệutổng quan ¾Tổng quan ¾Mạch tổ hợp2 mức ¾Mạch tổ hợp nhiềumức ¾Kiểm tra (verification) ¾Kiểmthử (testing) 2010 dce Tổng quan •Mạch số tích hợp •Phương pháp thiếtkế IC •Bố trí mứctransistor •Mứccổng • Initial use of Logic Optimizaion • Emergence of Synthesis-Base Design • A Logic Synthesis Design Methodology 7 2010 dce Design of Integrated Circuits System Level System Level Register Transfer Level Register Transfer Level Gate Level Gate Level Transistor Level Transistor Level Layout Level Layout Level Mask Level Mask Level D e s i g n D e s i g n V e r i f i c a t i o n V e r i f i c a t i o n 2010 dce System Level • Abstract algorithmic description of high-level behavior – e.g. C-Programming language – abstract bởi vì nó không chứabấtcứ hiệnthực chi tiết nào cho thời gian hoặcdata –Hiệuquảđểđạt đượcmộtmôhìnhthựcthirútgọn ở giai đoạn đầu tiên củathiếtkế –Khókhăn để duy trì sự xuyên suốtdự án bởi vì không liên kết đến phầnhiệnthực Port* compute_optimal_route_for_packet(Packet_t *packet, Channel_t *channel) { static Queue_t *packet_queue; packet_queue = add_packet(packet_queue, packet); } 2010 dce RTL Level module mark1; reg [31:0] m[0:8192]; reg [12:0] pc; reg [31:0] acc; reg [15:0] ir; always begin ir = m[pc]; if (ir[15:13] == 3b’000) pc = m[ir[12:0]]; else if (ir[15:13]==3’b010) acc = -m[ir[12:0]]; end endmodule module mark1; reg [31:0] m[0:8192]; reg [12:0] pc; reg [31:0] acc; reg [15:0] ir; always begin ir = m[pc]; if (ir[15:13] == 3b’000) pc = m[ir[12:0]]; else if (ir[15:13]==3’b010) acc = -m[ir[12:0]]; end endmodule • Cycle accurate model “close” to the hardware implementation –Những kiểudữ liệubit- vector và cách hoạt động đượctrừutượng hóa từ hiệnthực bit-level –Cấutrúctuầntự (e.g. if - then - else, while loops) để ủng hộ mô hình dòng điều khiểnphứctạp. 2010 dce Gate Level • Model on finite-state machine level –Những mô hình chứcnăng trong luận lý Boolean sử dụng registers và gates – Các mô hình delay khác nhau cho gates và wires 1ns 1ns 4ns 4ns 3ns 3ns 5ns 5ns 2010 dce Transistor Level • Model on CMOS transistor level – Được dùng trong kiểmtrasự tương đương chức năng –Hoặc phân tích chi tiếtvề timing 2010 dce Layout Level • Transistors và wires được đặtnhư các polygons trong các lớp khác nhau như diffusion, poly-silicon, metal, etc. 2010 dce Design of Integrated Systems Relative Effort Relative Effort Project Time Project Time System System RTL RTL Logic Logic - - Design phases overlap to large degrees Design phases overlap to large degrees - - Parallel changes on multiple levels, multiple teams Parallel changes on multiple levels, multiple teams - - Tight scheduling constraints for product Tight scheduling constraints for product Transistor Transistor 2010 dce Design Challenges • Systems đang trở nên lớnhơn, thờigianthiếtkế ngày càng phải rút ngắn – > 100 Mio gates càng phổ biến cho ASICs – > 0.4 Mio dòng của C-code để mô tả hành vi hệ thống – > 5 Mio dòng của RLT code • Design teams rấtlớn cho những projects lớn –Vàitrămngười –Kỹ năng khác nhau – Làm việc đồng thời ở nhiềumức khác nhau –VIệcquảnlýđộ phứctạpvàliênlạcthiếtkế là rấtkhókhăn • Design tools đang ngày càng phúc tạphơnnhưng vẫnchưa đáp ứng yêu cầu – Thông thường ngườithiếtkế phảichạykhoảng 50 tools cho mỗi component – tools có nhiềulỗi, interfaces chưa thân thiệnetc. 2010 dce Design Challenges •Quyết định về design point là rấtkhó – performance / costs / time-to-market –Quyết định phải đượcthựchiện2-3 years trước khi hoàn thành thiếtkế before design finished –Cácthời điểmthiếtkế rấtkhóđoán trướcnếu không làm thậtsự –Xácđịnh vòng đờisảnphẩm • Functional verification –Môphỏng vẫnlàcôngcụ chính cho kiểmtrachứcnăng nhưng không đủ bởivìkíchthướccủa không gian thiếtkế –Cáclỗi trong released hardware thì rất đắt để khắcphục (khác với software) 2010 dce Design Challenges • Tradeoffs cơ bảngiữacácmức mô hình hóa khác nhau: – modeling detail and team size to maintain model • high-level models có thểđượckiểm soát bởi1 hoặc2 người • detailed models cần được phân hoạch mà kếtquả là sự khó khăn trong việc liên lạcgiữacáckhối – modeling accuracy versus modeling compactness • compact models bỏ qua các chi tiếtvàđưarachỉ những ước lượng sơ khai cho hiệnthực • detailed models thì kéo dài và khó khăn để thích nghi vớinhững thay đổi trong thiếtkế – simulation speed versus hardware performance • high-level models có thể mô phỏng nhanh nhưng không thể hiện thựchiệuquả vớinhững phương tiệntựđộng • low-level models có thể hiệnthực nhanh chóng nhưng khó mô phỏng 2010 dce Full Custom Design Flow • Application: những thiếtkế hiệusuấtcựccao – general-purpose processors, DSPs, graphic chips, internet routers, games processors etc. • Target: thị trường lớnvàlợi nhuậncao – e.g. PC business • Complexity: rấtcaovàđòi hỏilab hiện đại – Độingũ lớn, đầutư cao và rủirocũng cao • Vai trò Logic Synthesis: –Hạnchế chỉ cho components không chuẩn hóa về hiệu suấthoặccóthể thay đổisauđótrongchutrìnhthiếtkế • non-critical data paths logic và control logic –Mộtlượng lớn data-path components và fast control logic đượcthiếtkế thủ công để tối ưuhiệusuất 2010 dce Full Custom Design Flow ISA Specification ISA Specification RTL Spec RTL Spec Gate Level Netlist Gate Level Netlist Transistor Level Circuit Transistor Level Circuit Layout Layout Circuit Simulation Circuit Simulation Simulation Simulation Design Rule Checker Design Rule Checker Formal Formal Equivalence Equivalence Checking Checking Simulation Simulation Logic Synthesis Logic Synthesis Manual or Manual or semi semi - - automatic automatic Design Design Extract&Compare Extract&Compare 2010 dce ASIC Design Flow • Application: thị trường IC thông dụng – peripheral chips in PCs, toys, handheld devices etc. • Target: thị trường trung bình và nhỏ, thờigianthiết kế hạnchế – e.g. consumer electronics • Complexity of design: kiểuthiếtkế chuẩn, đoán trước được – standard flows, standard off-the-shelf tools • Vai trò Logic Synthesis: – Đượcsử dụng tỉ lệ cao trong thiếtkế ngoạitrừ những khối đặcbiệtnhư RAM’s, ROM’s, analog components 2010 dce ASIC Design Flow Informal Specification Informal Specification RTL Spec RTL Spec Gate Level Netlist Gate Level Netlist Modifies Gate Level Netlist Modifies Gate Level Netlist Static Timing Analysis Static Timing Analysis Formal Formal Equivalence Equivalence Checking Checking Simulation Simulation Logic Synthesis Logic Synthesis Manual Changes Manual Changes to fix timing to fix timing ASIC Foundry ASIC Foundry Test Logic Insertion Test Logic Insertion 2010 dce What is Logic Synthesis? • Definition: To design a logic circuit such that it meets the specifications and can be economically manufactured: • Performance – đạtnhững yêu cầuvề delay hoặctối thiểu delay. • Cost – dùng hardware ít nhất, diện tích chip nhỏ nhất, số lượng gates hoặc transistors nhỏ nhất. • Power – đạtcácyêucầuvề power, tiêu thụ power ít nhất. • Testablility – không có dư thừa logic và dễ kiểmtra. Fall 2008, Oct 24 . . . Fall 2008, Oct 24 . . . ELEC2200 ELEC2200 - - 002 Lecture 6 002 Lecture 6 22 22 2010 dce What is Logic Synthesis? D D X X Y Y λ δ Given: Given: Finite Finite - - State Machine F(X,Y,Z, , ) where: State Machine F(X,Y,Z, , ) where: λ δ X: Input alphabet X: Input alphabet Y: Output alphabet Y: Output alphabet Z: Set of internal states Z: Set of internal states : X x Z Z (next state function) : X x Z Z (next state function) : X x Z Y (output function) : X x Z Y (output function) λ δ Target: Target: Circuit C(G, W) where: Circuit C(G, W) where: G: set of circuit components g {Boolean gates, G: set of circuit components g {Boolean gates, flip flip - - flops, etc} flops, etc} W: set of wires connecting G W: set of wires connecting G ∈ 2010 dce Quy trình thiếtkế tổng hợp thông thường Behavioral Specification Manual Entry Behavioral Synthesis Tools RTL Description Translation Tools Unoptimized Logic Description Logic Optimization Technology Mapping Optimized Logic Description Physical Design Tools Layout Integrated Circuit Module Generators Custom Layout Test Generation Test Library 24 2010 dce MụctiêucủaSynthesis • Minimize area –số lượng cell, register, etc. • Minimize power –Hoạt động chuyểnmạch trong individual gates, deactivated circuit blocks, etc. • Maximize performance –Tối ưu clock frequency của synchronous systems, throughput của asynchronous systems •Kếthợp các giảipháptrên –Kếthợpvớinhững trọng số khác nhau – Công thức hóa như mộtvấn đề ràng buộc • “minimize area for a clock speed > 300MHz” • More global objectives – feedback from layout • actual physical sizes, delays, placement and routing 2010 dce Constraints on Synthesis • Given implementation style: –Hiệnthực hai mức (PLA, CAMs) –Hiệnthực nhiềumức, FPGAs • Given performance requirements –Yêucầutốithiểucủa clock speed –Yêucầutốithiểu latency, throughput • Given cell library –Tập các cells trong cell library – fan-out constraints (tối đasố gates đượcnốivới gate khác) 2010 dce Brief History of Logic Synthesis • 1960s: first work on automatic test pattern generation used for Boolean reasoning – D-Algorithm • 1978: Formal Equivalence checking introduced at IBM in production for designing mainframe computers – SAS tool based on the DBA algorithm • 1979: IBM introduced logic synthesis for gate array based main frame designed – LSS, next generation is BooleDozer • End 1986: Synopsys founded – first product “remapper” between standard cell libraries – later extended to full blown RTL synthesis • 1990s other synthesis companies enter the marker – Ambit, Compass, Synplicity. Magma, Monterey, 2010 dce Why learning about Logic Synthesis? • Logic synthesis là hạt nhân của các CAD tools ngày nay cho thiếtkế IC và system. –Baogồmnhiềugiảithuậtsử dụng rộng rãi trong CAD tools –Cơ bảnchocáckỹ thuậttối ưukhác, e.g. embedded software –Cơ bảnchocáckỹ thuậtkiểmtrachứcnăng •Phầnlớngiảithuật là khó tính toán 2010 dce Phương pháp thiếtkế IC • Hai tham số ràng buộc quá trình thiếtkế IC: –Chấtlượng củamạch –Thờigianđưasảnphẩmrathị trường 29 2010 dce Mạch số tích hợp • Integrated circuit • Transistor-level – Silicon compiler • Gate array và standard cell –Mộttập các transitor và các kếtnối đượccấuhình trong mộtIC –Nor cell • Gate-level – Đượcsử dụng từ những năm 1970 30 2010 dce Mạch tổ hợp2 mức •Cónhiềudạng mạch logic 2 mức: – Sum-of-Product (AND-OR) – Product-of-Sum (OR-AND) –NOR-NOR – NAND-NAND –AND-XOR –… 31 2010 dce Two-Level AND-OR Implementation • Technology-independent circuit. Fall 2008, Oct 24 . . . Fall 2008, Oct 24 . . . ELEC2200 ELEC2200 - - 002 Lecture 6 002 Lecture 6 32 32 A B C D F1 F2 P1 P2 P3 P4 INPUTS AND OR 2010 dce NAND-NAND Implementation Fall 2008, Oct 24 . . . Fall 2008, Oct 24 . . . ELEC2200 ELEC2200 - - 002 Lecture 6 002 Lecture 6 33 33 INPUTS NAND NAND A B C D F1 F2 1P 2P 4P 3P 2010 dce Mạch tổ hợp2 mức • Ưu điểmcủamạch 2 mức –PLA vàmạch logic 2 mứccóthể hiệnthựchiệu quả các khối điềukhiểnlogic. –Việctối ưudạng Sum-of-Product thường đượcsử dụng trong giai đoạn đầutiêncủa quá trình tổng hợpnhiềumức •Nhược điểm: –Nhiềuhàmquytắc có chung mộtdạng tốigiản2 mức –Cókíchthướctăng theo cấpsố nhân khi tăng số ngõ nhập 34 2010 dce Mạch tổ hợp nhiềumức •Thường đượcsử dụng nhiềuhơncácmạch tổ hợp2 mức • Nhanh hơnvànhỏ hơnso vớiviệchiệnthựccủamạch 2 mức •Mạch tổ hợp nhiềumứcthường đượcthể hiện ở dạng mạng nhiềumứccủacáccổng (multi-level networks of logic gate) Cho phép tự do hơn trong việcthiếtkế –Tối ưudiện tích –Delay –Thỏa mãn các ràng buộc (ví dụ: các yêu cầuvề thờigiantrêncác đường xuấtnhập khác nhau) •Nhược điểm – Khó mô hình hóa và tối ưumạng nhiềumức (multi-level networks) 35 2010 dce Kiểmtra •Kiểm tra tính chính xác củabảnthiếtkế – Đượcthựchiệnbởi quá trình mô phỏng (simulating) hoặckiểmtrahìnhthức(formal methods) –Môphỏng là mộtkỹ thuậtthường dùng nhấtcủa quá trình kiểmtra •Kiểm tra tính consistency giữa đặctả hành vi và đặctả RTL 36 2010 dce Kiểmthử • Nguyên nhân: Quá trình sảnxuấtsảnxuất phứctạp và không hoàn hảo •Mục đích: – Phát hiệnlỗicủamạch –Phânloạichấtlượng trướckhiđưavàothị trường – Phát hiệnnhững kiếmkhuyết trong quá trình sản xuất •Cácloạikiểmthử: – Fault detection – Fault Diagnosis 37 2010 dce Kiểmthử • Quy trình: Sử dụng các mẫukiểmthử và so sánh kếtquả •Cácloạilỗi –Lỗivật lý (physical fault): •Lỗitĩnh (static/logic fault) •Lỗi động (dynamic/parametric fault) 38 2010 dce Kiểmthử • Các mô hình lỗi (fault model): các mô hình đượcsử dụng trong quá trình sinh mẫukiểm thử: – Static fault model: single stuck-at, multiple stuck- at, bridging fault – Dynamic fault model: gate delay fault, transistor stuck-open fault, path delay fault – Comprehensive fault model: các mô hình có chỉ định vị trí củalỗi. • Debug lỗimạch •Sửa (fix) lỗi quy trình sảnxuất 39 2010 dce Tham khảo • Chapter 1, Logic Senthesis – Srinivas Devadas, Abhijit Ghosh, Kurt Keutzer 40 . môn học Tổng quan về thiếtkế luậnl vi mạch Mạch tổ hợp2 mức Tổng hợpmạch tổ hợp2 mức •Kiểmthử mạch tổ hợp2 mức Mạch tổ hợp nhiềumức Tổng hợpmạch tổ hợp nhiềumức •Kiểmthử mạch tổ hợp nhiềumức 4 2010 dce Tài. BK TP.HCM 2008 dce Tổng hợpluậnl vi mạch 2010 dce Giớithiệu •Mônhọc: Tổng hợpluậnl vi mạch –Mãsố: –Số tín chỉ: 3 •Giảng vi n: – Dr. Tran Ngoc Thinh • Email: tnthinh@cse.hcmut.edu.vn •. Micheli 5 BK TP.HCM 2008 dce Chương 1: Giớithiệutổng quan Tổng quan Mạch tổ hợp2 mức Mạch tổ hợp nhiềumức ¾Kiểm tra (verification) ¾Kiểmthử (testing) 2010 dce Tổng quan Mạch số tích hợp •Phương pháp thiếtkế IC •Bố