Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” - 1.5, 1.8-12 L18.
Download
Report
Transcript 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