Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused J.F. Wakerly Digital Design: Principles and Practices - 1.5, 1.8-12 L17. Digitaalsüsteemide automaatprojekteerimine, sünteesi etapid. L18. VHDL ja süntees. Süsteemitasemesüntees. L19. Füüsikalise taseme projekteerimine. Keerukate süsteemide iseärasused. 1 Füüsiline realiseerimine 2 1
Füüsiline realiseerimine 3 Pakendamine Kristall kiip trükkplaat kapp Tavamured: ühendused (viited) Lisaks: toide, jahutamine, hooldamine, jne. Pakendamistase 1. tase 2. tase 3. tase 4. tase Kristall MCM / Kiip Trükkplaat Emaplaat Kast 4 2
Kiipide/korpuste näited DIP PPGA (Intel) PLCC FCBGA (Intel) SOIC SEPP (Intel) 5 Pakendamise näited hübriidmikroskeem prototüüpimine ruumiline montaaž IBM POWER5 6 3
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 7 Füüsikalise taseme süntees Loogikalülid transistorid / traadid Transistorid / traadid polügonid (maskid) 8 4
Mikroskeemide valmistamine maskid ilmutamine söövitamine / lisamine pakendamine testimine Brown University AMD Robert Richmond, 2003 Wikipedia 9 Mikroskeemide valmistamine CMOS transistorid sammud söövitamisel sammud valmistamisel (inverter) N elektronid [P, As, Sb] P augud [B, Al] http://jas.eng.buffalo.edu/ CMOS inverter fabrication 2-NAND www.wikipedia.org 10 5
Mikroskeemide valmistamine 2-NAND 2-NOR 2-2-AND-NOR flip-flop http://www.vlsitechnology.org/ 11 Füüsikalise taseme süntees Tükeldamine partitioning Pinnaplaneering floorplanning Paigaldamine placement A C 4 3 1 2 B 3 D variandid 3 1 2 3 4 2 1 2 4 1 A B C D 1 2 4 3 12 6
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 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) 14 7
Trükkplaatide valmistamine Vasega (Cu) kaetud tekstoliit ( klaasriie & epoksüvaik) ühekihiline Ühekihiline trükkplaat ühendusrajad (alumine pool) Kahekihiline trükkplaat ühendusrajad metalliseeritud läbiviigud Mitmekihiline trükkplaat mitu kahekihilist plaati läbiviikude asukohad! kahekihiline mitmekihiline 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 (FeCl 3, HNO 3 jne.) liigse metalli välja freesimine (milling) Komponentide paigaldamine vajaduse korral ka kinnitamine (nt. liimimine) Jootmine mehhaniseeritud (tinalaine) või käsitsi 16 8
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 17 Trükkplaatide valmistamine Valmistamine komponentide kinnitamine jootmine jootevedelik / -tina termilised probleemid suured vasepinnad komponentide ülekuumenemine kvaliteedi kontroll visuaalne lõppviimistlus puhastamine kaitselakkimine lõpptestimine funktsionaalsuse kontroll Through-hole Wave Soldering SMD Wave Soldering 18 9
Trükkplaatide valmistamine Wave Soldering Electro Soft Inc. https://www.youtube.com/watch?v=inhzajie7-4 Agrowtek Inc. https://www.youtube.com/watch?v=vwh58qrprvc SMD Reflow Soldering GIGABYTE factory tour https://www.youtube.com/watch?v=va3bfjn4ina Tutorial https://www.youtube.com/watch?v=gu0v8lflckg SMD reflow at home https://www.youtube.com/watch?v=u48nose31d4 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 20 10
Trükkplaatide projekteerimine Skeemist moodulini Skeemi sisestamine Komponentide paigaldamine siinide asukohad tugikomponendid Ruutimine harakapesa (rat-nest) asendamine traatidega toiteühendused Kontroll (DRC) radade mõõtmed radadevahelised kaugused aukudevahelised kaugused jne. 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 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 22 11
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 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,... 24 12
Mälusüsteemid, -hierarhia SoC mudel funktsionaalne mudel PE protsessorseade (CPU, DSP, ASIC) LM - lokaalne mälu FIFO - puhvermälu SoC arhitektuur protsessorseade peidikmälu (L1) lokaalne mälu osa ühisest mälust eraldi mälu (L2) puhvermälu FIFO PE FIFO PE FIFO LM LM 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 26 13
Digitaalsüsteemide siinid SoC siinide hierarhia moodulite sisesiinid moodulitevahelised siinid üks siin hierarhias mitu siini hierarhias hajutatud siinid homogeensed siinid heterogeensed siinid 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 28 14
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,... 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 30 15
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 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 32 16
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 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) 34 17
Pikad liinid Ülekandeliinid transmission lines Valguse kiirus Parameetrid pikkus takistus, induktiivsus, mahtuvus Sobitus peegeldused! Mahtuvused traat-kristall & traat-traat Induktiivsused traat antennina & traat-traat L - traadi pikkus W - traadi laius C w ~ L h w / d C i ~ L W / h i M w ~ L / d 2 d h w h i M w d 35 Sidestus - ülekostvus Pikad ühendustraadid - lahendusi varjestamine (koaksiaal) keerutatud paar maa info maa info /info Arhitektuursed lahendused info pakkimine 36 18
Homne päev? 2000. a. 2010. a. 2020. a. mälu suurus transistore cm 2 -l sisemine taktsagedus välimine taktsagedus väljaviike 2 Gbit 8 10 6 1.5 GHz 0.5 GHz 2000 256 Gbit 160 10 6 10 GHz 1.5 GHz 6000 1024 Gbit 480 10 6 40 GHz 2.5 GHz 10000 kristalli pindala traadi laius toitepinge võimsustarve võimsustarve (akutoide) 800 mm 2 140 nm 1.5 V 100 W 0.5 W 1300 mm 2 40 nm 0.6 V 170 W 1.5 W 1800 mm 2 10 nm 0.5 V 300 W 2.5 W 37 Tulevik? Nano-tehnoloogiad? CMOL = CMOS + nano QCA Quantum-dot Cellular Automata 38 19
Eksam Kestus 1 ½ tundi 30 punkti 36-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 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 40 20