Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” - 1.5, 1.8-12 L18.
Download ReportTranscript Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” - 1.5, 1.8-12 L18.
Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” - 1.5, 1.8-12 L18. Digitaalsüsteemide automaatprojekteerimine, sünteesi etapid. L19. Süsteemi- ja kõrgtasemesüntees. L20. Füüsikalise taseme projekteerimine. Kompleksete süsteemide iseärasused. © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 1 Füüsiline realiseerimine © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 2 Füüsiline realiseerimine © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 3 Pakendamine Kristall kiip trükkplaat kapp Tavamured: ühendused (viited) Lisaks: toide, jahutamine, hooldamine, jne. Pakendamistase 1. tase 2. tase Kristall MCM / Kiip Trükkplaat 3. tase 4. tase © Peeter Ellervee Emaplaat Kast I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 4 Kiipide/korpuste näited DIP PPGA (Intel) © Peeter Ellervee PLCC FCBGA (Intel) SOIC SEPP (Intel) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 5 Pakendamise näited hübriidmikroskeem prototüüpimine ruumiline montaaž © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 IBM POWER5 6 Pakendamine – korpused Füüsilised nõuded ja piirangud mõõtmed, liidesed vastupidavus - tolm, vibratsioon Termilised nõuded ja piirangud töötemperatuuri vahemik jahutamine / küte Elektrilised nõuded ja piirangud elektritoide kaitse - liigpinge, elektromagnetväljad Ergonoomilised nõuded ja piirangud väljanägemine, kasutajaliides, müra © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 7 Füüsikalise taseme süntees Loogikalülid transistorid / traadid Transistorid / traadid polügonid (maskid) © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 8 Mikroskeemide valmistamine maskid – ilmutamine söövitamine / lisamine pakendamine testimine Brown University Robert Richmond, 2003 AMD Wikipedia © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 9 Mikroskeemide valmistamine sammud söövitamisel CMOS transistorid sammud valmistamisel (inverter) 2-NAND © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 10 Mikroskeemide valmistamine 2-NAND 2-NOR 2-2-AND-NOR flip-flop http://www.vlsitechnology.org/ © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 11 Füüsikalise taseme süntees Tükeldamine partitioning A Pinnaplaneering floorplanning Paigaldamine placement C 4 3 1 B D 2 3 variandid 3 1 4 2 3 1 2 4 2 1 1 A B C © Peeter Ellervee D 2 I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 4 3 12 Füüsikalise taseme süntees Ruutimine e. trasseerimine routing Labürindi läbimine maze running 1, 2 või N korraga 1 või enam kihte mälumaht! Joone otsimine lõikejoon Globaalne ja detailne Optimeerimine © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 13 Trükkplaadid Valmistamine ja projekteerimine töökindlus, maksumus, jõudlus (töökiirus) PCB (Printed Circuit Board) Komponendid mikroskeemid, transistorid, takistid, kondensaatorid jne. Ühendused Liidesed Kinnitused Trükkplaadi valmistamine Komponentide paigaldamine (ja kinnitamine) Elektriliste ühenduste loomine (nt. jootmine) © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 14 Trükkplaatide valmistamine Vasega (Cu) kaetud tekstoliit ( klaasriie & epoksüvaik) Ühekihiline trükkplaat ühekihiline kahekihiline ühendusrajad (alumine pool) Kahekihiline trükkplaat ühendusrajad metalliseeritud läbiviigud mitmekihiline Mitmekihiline trükkplaat mitu kahekihilist plaati läbiviikude asukohad! © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 15 Trükkplaatide valmistamine Väikeseeriad / üksikeksemplarid Täielikult vasega kaetud plaat (1- või 2-kihiline) Läbiviikude puurimine (drilling) Läbiviikude galvaaniline metalliseerimine Ühendusradade loomine == liigse vase eemaldamine liigse metalli söövitamine (etching) 1) kaitsekihi peale kandmine (radade positiivkujutis) a) kaitselaki / -värvi joonistamine / siiditrükk b) printimine (fototundlik materjal, termokiled jne.) 2) söövitamine (FeCl3, HNO3 jne.) liigse metalli välja freesimine (milling) Komponentide paigaldamine vajaduse korral ka kinnitamine (nt. liimimine) Jootmine mehhaniseeritud (tinalaine) või käsitsi © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 16 Trükkplaatide valmistamine Suurseeriad Läbiviikude puurimine (metalliga katmata plaat) Ühendusradade loomine == vasekihi galvaaniline kasvatamine keemiliselt kantakse peale õhuke vasekiht radade asukohtade trükkimine (fotolitograafia) galvaaniline radade kasvatamine vajaliku paksuseni (tagab ka läbiviikude metalliseerimise) liigse vase eemaldamine (söövitamine) Kaitsekihi (-laki) ja jootevedeliku/-tinaga katmine Komponentide (mehhaniseeritud) paigaldamine vajaduse korral ka kinnitamine (nt. liimimine) Jootmine mehhaniseeritud © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 17 Trükkplaatide valmistamine Valmistamine komponentide kinnitamine jootmine jootevedelik / -tina termilised probleemid suured vasepinnad komponentide ülekuumenemine kvaliteedi kontroll Through-hole Wave Soldering Gigabyte Factory Tour (PCSTATS.com) visuaalne lõppviimistlus puhastamine kaitselakkimine lõpptestimine funktsionaalsuse kontroll © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 18 Trükkplaatide valmistamine SMD Wave Soldering SMD Reflow Soldering © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 19 Trükkplaatide valmistamine Praktilisi nõuandeid (mõõtühik on mil – 1/1000 tolli, st. 0,0254 mm) Augud mida väiksem auk, seda kallim plaat väikseimad augud võiksid olla 0,5 mm või suuremd mida paksem plaat, seda suuremad augud 2 mm plaat → mitte alla 0,4 mm augud Ühendusrajad liiga kitsad rajad ja radadevahed tekitavad probleeme soovitav laius 0,25 mm (10 mil) Polügonid (suured pinnad, nt. maakiht) kasutatakse ekraaniks, jahutamiseks jne. väikseim vahe polügoni ja radade vahel vähemalt 0,25 mm Jootemask jooteplatsi jaoks peaks olema jootemaskis (kaitselakk) vastav auk Markeering ei tohi sattuda jootekohtadele, täpsus ~0,5 mm © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 20 Trükkplaatide projekteerimine Skeemist moodulini Skeemi sisestamine Komponentide paigaldamine siinide asukohad tugikomponendid Ruutimine harakapesa (rat-nest) asendamine traatidega toiteühendused Kontroll (DRC) PCB Design Tutorial David L. Jones http://www.alternatezone.com/ Mõningaid soovitusi Toite ühendamine filterkondensaatorid Siinide ühendamine Mitmekihilised plaadid läbiviikude tüübid – läbi terve plaadi, (osaliselt) peidetud läbiviikude asukohad – sünkroniseerimine radade mõõtmed radadevahelised kaugused aukudevahelised kaugused jne. © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 toide siinid 21 Protsessorseadmed Protsessor toas – lambid, transistorid Protsessor kapis – integraalskeemid (SSI) IBM 360/370, PDP-7/11 Protsessor plaadil – LSI, RISC silp-protsessorid, lisaplaadid mälu, jms. Jaoks Protsessor kiibil – VLSI i8080, z80, m6800, … Üldotstarbelised mikroprotsessorid täisarv- ja ujukoma-aritmeetika paindlikud aadresseerimisviisid OS riistvaraline toetus mitmeastmeline konveier VLIW – Very Long Instruction Word © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 22 Protsessorseadmed Signaalitöötlusprotsessorid DSP – Digital Signal Processor püsikoma-aritmeetika, piiratud aadresseerimisviisid väga lihtne sise-ehitus Mikrokontrollerid piiratud aritmeetika ja aadresseerimisviisid loogikatehted ja bititöötlus; s/v ja juhtimise organiseerimiseks Süsteem kiibil [SoC e. kiipsüsteem] protsessorid kiibil (aga mitte ainult) ARM, PowerPC jne. tuumad eri protsessoritüübid erisugustele ülesannetele mälu- ja siinisüsteemid Liidesprotsessorid andmevahetus (protokollid), loogikaoperatsioonid ja mälupöördused © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 23 Mälusüsteemid, -hierarhia Üldotstarbelised (mikro)protsessorid nähtavuse alusel registrid, pinumälu, põhimälu, kõvaketas, CD, lindid jne. hierarhia alusel registrifail, peidikmälud – põhimälu, kõvaketta jne. jaoks Digitaalsüsteemid nähtavuse alusel registrid, vahemälud (peidikmälud), põhimälu arhitektuuri alusel ühine mälu (jaotatud mälu) • registrifail, ühine põhimälu, ... hajutatud mälu • üksikud registrid, võrk, ... © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 24 Mälusüsteemid, -hierarhia SoC – mudel SoC – arhitektuur funktsionaalne mudel protsessorseade PE – protsessorseade (CPU, DSP, ASIC) LM - lokaalne mälu FIFO - puhvermälu peidikmälu (L1) lokaalne mälu osa ühisest mälust eraldi mälu (L2) puhvermälu FIFO PE LM © Peeter Ellervee FIFO PE FIFO LM I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 25 Digitaalsüsteemide siinid Arvutisiinid protsessori sisesiinid mälusiinid s/v siinid Protokollid otsene seos arhitektuuriga peidikmälu ploki sünkroniseerimine põhimäluga nt. ARM-7/9 • peidikmälu plokk (cache line) - 8*32 bitti • põhimälu pöördus - 11 tsüklit, 8*32 bitti © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 26 Digitaalsüsteemide siinid SoC siinide hierarhia moodulite sisesiinid moodulitevahelised siinid üks siin hierarhias mitu siini hierarhias hajutatud siinid homogeensed siinid heterogeensed siinid © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 27 Digitaalsüsteemide siinid NoC – Network-on-a-Chip siinide hierarhia moodulite sisesiinid moodulitevaheline siinide võrk võrgu arhitektuurid ühine siin mõne mooduli vahel andmevahetus - teadete edastamine teadete marsruteerimine kommunikatsioonisõlmed isehäälestuv andme-edastus © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 28 S/V alamsüsteemid Digitaalsisendid, -väljundid s/v kontrollerid ja protsessorid s/v puhvrid ja võimendid voolu-, pinge- ja võimsusvõimendid Analoogsisendid, -väljundid digitaal-analoog muundurid (DAC) analoog-digitaal muundurid (ADC) analoogskeemid digitaalsel kiibil mürad, tehnoloogia, ... © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 29 Sardtarkvara 99% protsessoritest sardsüsteemide turul Sardtarkvara arhitektuur riistvara draiverid reaalaja opsüsteem (RTOS) rakendusprogrammid RTOS mitu programmi, igal omad tähtajad väike mälutarve (~10KB) välismälu (kettad jms.) puudumine © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 30 Testitavus Hästitestitavate süsteemide disain DFT - Design for Testability Funktsionaalsest testimisest ei piisa Diagnostiline testimine lihtsam, kui testitavus on projekteerimisel arvesse võetud Testide genereerimine oluliselt lihtsam Kombinatoorsete süsteemide testimine Mäluga skeemide testimine Vähesed punktid otseselt jälgitavad Täiendavate mõõtepunktide loomine © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 31 Töökindlus Tõrke tõenäosus komponendi kohta Mida rohkem komponente, seda väiksem on töökindlus päästab dubleerimine veakindel kodeerimine kasutab sama trikki! Suurem integratsiooniaste rohkem elemente kristallil - suurem töökindlus väiksemad elemendid - väiksem töökindlus mürad, elektromagnetkiirgus, kosmilised osakesed © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 32 Töökindlus Rikke tõenäosus sissetöötamisel, normaaltöös, lõpus... Komponendid süsteemis töökindluste tõenäosuste korrutis r = r1 * r2 * r3 * . . . * rN r1 = 0,99; r2 = 0,95 -- r = 0,94 Dubleeritud komponendid rikete tõenäosuste korrutis r = 1 - (1- r1) * (1-r2) * (1-r3) * ... * (1-rN) r1 = 0,99; r2 = 0,95 -- 0,9995 © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 33 Asünkroonsed süsteemid J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” – 8.8 Asünkroonne andmevahetus mitu taktsignaali, pikad siinid jne. Isetakteeruvad moodlid signaalide võistlus (signal race) © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 34 Pikad liinid Ülekandeliinid Mahtuvused transmission lines Valguse kiirus Parameetrid traat-kristall & traat-traat Induktiivsused traat antennina & traat-traat L - traadi pikkus W - traadi laius Cw ~ L · hw / d Ci ~ L · W / hi Mw ~ L / d2 pikkus takistus, induktiivsus, mahtuvus Sobitus peegeldused! hw hi Mw d d © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 35 Sidestus - ülekostvus Pikad ühendustraadid - lahendusi varjestamine (koaksiaal) keerutatud paar maa info maa info /info Arhitektuursed lahendused info pakkimine © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 36 Homne päev? mälu suurus transistore cm2-l sisemine taktsagedus välimine taktsagedus väljaviike 2000. a. 2010. a. 2020. a. 2 Gbit 8·106 1.5 GHz 0.5 GHz 2000 256 Gbit 160·106 10 GHz 1.5 GHz 6000 1024 Gbit 480·106 40 GHz 2.5 GHz 10000 kristalli pindala 800 mm2 traadi laius 140 nm toitepinge 1.5 V võimsustarve 100 W võimsustarve (akutoide) 0.5 W © Peeter Ellervee 1300 mm2 1800 mm2 40 nm 10 nm 0.6 V 0.5 V 170 W 300 W 1.5 W 2.5 W I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 37 Tulevik? Nano-tehnoloogiad? CMOL = CMOS + nano © Peeter Ellervee QCA – Quantum-dot Cellular Automata I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 38 Eksam Kestus – 2 tundi 40 punkti 54-st on 100% ~1/3 - Teooria Elektroonikasüsteemide modelleerimine Boole’i funktsioonide esitusviisid ja süntees Automaatide esitusviisid ja süntees Standartsed loogikaelemendid ja moodulid Digitaalsüsteemide projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 39 Eksam ~1/2 - Loogika ja automaadid automaadi realiseerimine tabeli ja funktsioonide süntees ja minimeerimine paar pisiülesannet kindla lahendusmeetodi nõue ~1/10 - VHDL väiksema mooduli/süsteemi modelleermine väiksemad süntaksi vead on lubatud Materjalide kasutamine on lubatud © Peeter Ellervee I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20 40