Transcript Timing Optimization Techniques

VLSI設計支援工学
１ LSI設計の流れ
藤田昌宏
東京大学大学院工学系研究科電子工学専攻
[email protected]
http://www.cad.t.u-tokyo.ac.jp
1
システムLSIはいたるところで使われている
2
説明の流れ
•
•
•
•
•
•
•
•
LSIの種類
同期回路とは？
ハードウェア設計の流れ
設計記述とシミュレーション
動作合成
論理合成
配置・配線
テスト
3
デジタルLSIとアナログLSI
• デジタルLSI
– ０，１などの特定の離散値のみを用いて計算
• 実際の信号値は0 ～ 2ボルトまでを信号値の０とみなし、3 ～
5ボルトまでは１とみなす
– 高集積化に向く
• 最先端LSIでは、２つの入力の間の積（AND)を計算する要素（
ゲートと呼ばれる）を数千万個集積できる
• アナログLSI
– 例： オペアンプなどの増幅、演算器、無線機
– 信号値は、連続的に変化
– 高集積化はたいへん
– ユーザインタフェイスは基本的にアナログ
• 本講義では、基本的にデジタルLSIを対象とする
• トランジスタは完全なスイッチとみなす
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LSIの種類： 機能
• マイクロプロセッサ： 例 Pentium（パソコンなど）
– 算術演算、データ転送、条件分岐などの命令を逐次実行
• 特化プロセッサ： マルチメディアプロセッサ（デジタルテレビなど）
– マイクロプロセッサと同じだが、マルチメディアアプリケーション（画像処
理、音声処理など）用の専用命令を多く持つ
• 組み込み型プロセッサ： 例 DSP (携帯電話など）
– 命令数は少ないが、応用に合わせた特殊な命令をもつ
• 例： for (i=0;i<100;i++) c := c + a[i] + b[i] が1命令
• 専用ハードウェア（ASIC: Application Specific Integrated Circuit)
– 与えられた関数（数式など）を直接ハードウェアで実現
– その応用に限っては、もっとも小さくてかつ高性能。ただし、設計大変
• フィールドプログラマブルLSI： 例 FPGA(Field Programmable Gate
Array)
– チップを製造してから、チップの機能をプログラムできる
5
LSIの種類：作り方
• フルカスタム
– 全て手作り： 例えば、Pentium III
• セミカスタム： スタンダードセル、ゲートアレイ
– 使用できるセルの種類をあらかじめ決めて設計しておく
– 配線も、配線領域を設定してそこだけで行う
• FPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）
– プログラム可能なセルを配置
– プログラム可能な配線領域を設定
– すべて、LSIを作ってからプログラムできる
• マイクロコントローラ＋追加ハードウェア
– 基本的にソフトウェアプログラムで行う
– 速度など性能が不足する部分は追加ハードウェアで実行
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フルカスタムLSI
• LSIの全ての部分を自由に設計する
– 自由度が大きい→高性能化が可能だが、一方自動設計は大変
– 設計効率から部分的にセミカスタムの手法を導入するのが普通
演算を
するところ
配線領域
7
セミカスタムLSI
• 演算をする部分と配線する領域を規則的に並べる
– 設計の自由度は制限されるが、自動設計は相対的に容易
– 設計期間は短くできる
– ASICと呼ばれているのもは、通常これ
演算を
するところ
配線領域
演算を
するところ
配線領域
演算を
するところ
8
フィールドプログラマブルゲートアレイ
• 演算をする部分と配線する領域は規則的に並べてあり、また、具体
的な演算の種類や配線の仕方は、LSIを製造してからプログラムで
きる
– 簡単にプロトタイプを作れる
– 最後の最後で仕様変更できる
演算を
するところ
演算を
するところ
演算を
するところ
演算の種類は
メモリに格納してある
配線領域
演算を
するところ
演算を
するところ
演算を
するところ
配線パターンは
メモリに格納してある
配線領域
演算を
するところ
演算を
するところ
演算を
するところ
9
マイクロコントローラ＋追加ハードウェア
• 基本的にマイクロコントローラ（通常のマイクロプロセッサと同じ）上
でプログラムで実行
– 速度など性能不足の部分は、専用の追加ハードウェアで処理
– 最後の最後で仕様変更できる
マイクロ
コントローラ
（マイクロ
プロセッサ）
追加ハード
ウェア（専用
ハードウェア
）
プログラム
格納メモリ
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組合せ回路と順序回路
• 組合せ回路
– 記憶を持たない回路、フィードバックループのない回路、現在の
入力のみで出力が決る
• 順序回路
– 記憶を持つ回路、フィードバックループのある回路、出力は現在
および過去の入力に依存
• 同期式順序回路
– クロック信号に同期して動作する順序回路
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同期式順序回路の概念図
• 組み合せ回路とエッジトリガフリップフロップ
外部入力
n
m
外部出力
組み合せ回路
状態変数
（現状態）
k
k
状態変数
（次状態）
クロック
エッジトリガフリップフロップ
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エッジトリガ フリップフロップ の動作
• クロックの変化時（立ち上りまたは立ち下がり）の入力を見て出力を
決める
– クロック変化の前(セットアップ）と後（ホールド）は入力が安定で
あること
入力
set-up
hold
クロック
delay
出力
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同期回路の詳細なモデル
• レジスタ転送 (RT) レベル回路
組み合せ回路
組み合せ回路
組み合せ回路
組み合せ回路
クロック
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設計の流れ（基本）
module WaitState(load,lo
input load;
input [1:0] loadValue
always @(positive Clk)
if (load)
仕様（RTL)
動作合成
論理合成
より詳細な設計レベルほど：
・ 面積・遅延見積もりはより正確
・ 回路変換の余地はより小さい
LSIの大規模化により、計算機
設計支援技術(CAD: Computer
Aided Design)なしでは設計で
きない！
配置
配線
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設計記述とシミュレーション
•
•
•
プログラミング言語
– ソフトウェアプログラム（たとえば、マイクロプロセッサで実行）を記述する
ための言語： C、C++、Java、など
ハードウェア記述言語(HDL: Hardware Description Language)
– ハードウェア（たとえば、LSI)の動作を記述するための言語
– 歴史は、プログラミング言語と同じくらい古い
– 重要な概念
• メモリ、レジスタ： ものを記憶できる
• ターミナル、配線： 信号値はその場限りで忘れる
• クロック： 通常、同期回路を対象としている
• 並列動作： ハードウェアは、物理的に存在するものは基本的に並
列に動作する
• 回路遅延： 何を計算するにも時間がかかることを意識する
• ハードウェア量は一定： 実行中にハードウェアは追加できない
– スタックや再帰的呼び出しなどは認めない
• Cのポインタなどは、ハードウェアでの実現が不可能・困難
プログラミング言語を実行するように、HDLの実行できる
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– 様々なHDLや設計レベルに応じたシミュレータが存在する
動作記述例： GCD（最大公約数）の計算
compare_var := COMPARE(xvar, yvar);
-- If compare returns 11 then inputs are equal
-- If compare returns 10 then xvar > yvar
-- If compare returns 01 then xvar < yvar
while (compare_var /= "11") loop
-- Loop till the numbers are equal
if (compare_var = "01") then
yvar := yvar - xvar;
else
xvar := xvar - yvar;
end if;
compare_var := COMPARE(xvar, yvar);
end loop;
gcd_output <= xvar;
else
gcd_output <= "00000000";
end if;
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動作合成例
Out = a*u + b*v + c*w + d*x + e*y
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ハードウェアリソースの共有
• 実行が排他的であるような実行パス上のRTL 演算 (+, -, *, …) は
ハードウェアを共有できる
– 回路面積を削減できる。ただし、クリティカルパス上ではできない
• 例
最小面積
M
a
S
b
mux delay
if (c1)
M = M +1 a;
else {
S = S +2 b;
if (c2)
M = M +3 a;
}
adder delay
+1,2,3
a
M
最小遅延
+1,3
b
S
+2
adder delay
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論理式と論理ゲート
• 基本論理演算
– AND 入力全てが１なら出力１、それ以外は０
– OR 入力の１つが１なら出力１、入力全て０なら出力０
– NOT 入力１なら出力０、入力０なら出力１
• 論理ゲート（テクノロジライブラリに登録されている）
– 半導体を作る上で作りやすいものを基準に構成される
– NAND＝AND+NOT
– NOR＝INV＝OR+NOT
– AND-OR-INVERTER(AOI)
• AOI2１: Out = ((a AND b) OR c)
a
Out
b
c
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論理合成とは？
• 与えられた論理式を簡単化し、テクノロジライブラリに登
録されたゲートのみの回路に変換すること
– 論理式簡単化
– テクノロジマッピング
• 注意： フルカスタムだったら、自分の好きなゲートを独自
に定義してもよい
– 設計の効率化のためには、各設計プロジェクトごとに
前もって、それ専用のテクノロジライブラリを定義して
使うのが普通
• 例： Pentium III 浮動小数点演算器用ライブラリ
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積和形論理式簡単化
• 積和形論理式： 積項（変数のAND)をORでつなげたもの
– (a AND b AND (NOT c) OR ((NOT b) AND c)
– abc + bc
• 積項の縮小と拡大操作を繰り返して、積項数を最小化を試
みる操作
cd
cd
cd
ab
cd
cd
1
1
ab
1
1
1
1
abc + acd + bcd + abc
cd
cd
cd
1
1
ab
1
ab
1
ab
ab
cd
cd
ab
ab
ab
cd
cd
1
1
1
1
abc + abcd + abcd + abc
ab
1
ab
ab
1
1
1
abc + abd +22abc
論理ゲート
• 論理回路を構成する基本単位
– AND, OR, NOT, NAND, NOR, EOR, ．．．
• 真理値表
a
a
a
b
c
c
b
b
a
b
abc
000
010
100
111
c
abc
001
011
101
110
a
b
abc
000
011
101
111
ab
01
10
c
abc
001
010
100
110
a
b
c
abc
000
011
101
110
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多段化と多段論理式簡単化
• 積和形論理式の多段化
– 論理関数 F を「うまく割る」関数 D をみつける F = D • q + r
• 論理関数の因数分解（ただし、余りあり）
• ac+bc+ad+bd+ef=(a+b)(c+d)+ef
• 多段論理式簡単化
– 基本的に回路変換や接続変換でゲート数・配線数を
減らす
c
b
d
e
c
d
a
b
f
c
4
b
d
1
5
o1
2
6
3
X
7
8
1
9
o2
e
c
a
b
f
4
1
2
5
o1
8
9
o2
3
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テクノロジマッピング
• ライブラリのセルを使って、分割された回路各々をカバーする、コス
ト最小のセルの集合求める
– カバー： 分割された回路の各ノードは、少なくとも１つのセルに含
まれること
NAND2
NAND3
INV
AOI21
NAND3
• 一般的な回路に対して、コスト最小のカバーを求める問題はNP完
全
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配置配線
•
•
•
•
•
配置： 各ゲートをLSI上に並べていく
配線： 各ゲート間をつなぐ
コスト関数
– 面積、総配線長
– 最長配線を短く
基本的に自動配置配線ツールを利用
– 大規模なので、時間のかかる処理
– もし、自動でできなかったときは：
• ツールのパラメータを変えて、もう一度
• 自分でつなぐ
フルカスタムの場合は、人手配置配線となることも多い
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テスト
• 製造されたLSIが設計どおり動作するかを調べること
• LSIに入力信号を送り、所望の出力がでるかどうかを調
べる
• 完全に調べる＝可能な全入力パターンを調べる＝不可
能
• 可能性の高い故障モデルを作り、それのみを調べる
– 縮退故障＝入力に関係なく出力値が固定される
– ブリッジ故障＝回路中に配線のショートがある
– 電源消費が異常に大きくなる
• 通常、大規模回路のテストは大変なので、テスト容易化
設計が施される
– 内部のフリップフロップはすべて外部から見える
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検証
• 設計が仕様を満たすか否かを調べる
– 仕様は、一般的には自然言語と図で表現される
• 仕様の形式化が重要
• 通常は、いろいろなパターンでシミュレーションして、結果を人手でチェ
ック
– 自動化
• シミュレーションパターンの自動生成
• シミュレーション結果の自動解析
• 形式的検証： 設計の正しさを数学的に証明する
– 基本的には、すべての場合をしらみつぶしにチェックすることと等価
• 具体的問題
– ２つの設計の等価性検証
– ある設計が特定の性質を満たすかどうかの検証（プロパティチェッ
キング）
• 今は、設計記述している時間よりも、設計の正しさを検証している時間
の方がずっと長い！
• 海外では活発な研究活動
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さて、これから
• 本講義では、基本的にこれからは、論理合成の話だけをします
• ４月１０日
LSI設計、導入、
２分決定グラフ（Binary Decision Diagrams, BDD）
• ４月１７日 積和形論理式簡単化： Unate 関数の利用
• ４月２４日 繰り返しによる積和形論理式簡単化
• ５月１日
多段論理回路の生成法
• ５月８日
休講を予定
• ５月１５日 多段論理回路の簡単化
• ５月２２日 テクノロジマッピング
• ５月２９日 論理回路のタイミング最適化
• ６月以降は中野先生へ
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参考： VLSI設計工学
学部４年 木曜２限
VLSI設計手法、設計支援手法（CAD)を広く （浅く） 説明
•
４月１９日 LSI設計、導入、CMOS論理回路
•
４月２６日 基本的な論理回路、論理回路の計算機処理（２分決定グラフ）
•
５月１０、１７日 論理合成（積和形、多段論理）
•
５月２４，３１日 論理検証（組合せ回路、順序回路）
•
６月７日 設計のシミュレーション技術
•
６月１４，２１日 １回休講、１回ハードウェア記述言語（代講）
•
６月２８日
•
７月５日 プログラミング言語レベルからのハードウェア合成
•
７月１２日 特殊ハードウェアをもつプロセッサのためのコンパイラ
•
７月１９日 ハードウェア／ソフトウェア協調設計
製造故障のテスト
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