Introdução ao Desenvolvimento de Circuitos Digitais Prof. Rômulo Calado Pantaleão Camara. Carga Horária: 2h/60h

Transcrição

1 Introdução ao Desenvolvimento de Circuitos Digitais Prof. Rômulo Calado Pantaleão Camara Carga Horária: 2h/60h

2 A grande ideia! O processo de concepção de um produto (chip) é muito demorado. Tempo; Esforço; Dinheiro;

3 Tempo Quanto Custa? Meses e até anos para desenvolver um produto; Esforço Grande grupo de engenheiros dedicado inteiramente em desenvolver a arquitetura, implementar e verificar o produto; Dinheiro Milhões de dólares.

4 Objetivo Descrever a evolução e a história do desenvolvimento de circuitos integrados (CI); Identificar os principais passos do fluxo de desenvolvimento de CI; Desafios encontrados no desenvolvimento de CI digitais atuais;

5 Exercícios - instruções Nesse Exercício você deverá: Completar um fluxograma com os passos que devem ser executados num fluxo de projeto; Incluir o fluxo de desenvolvimento; Incluir as entradas e saídas necessárias;?????

6 Design no fluxo de projeto de um CI Implementação e codificação são sinônimos no fluxo de projeto. A equipe de codificação é responsável por, a partir de uma especificação e arquiteturas definidas, transformar em um código de uma linguagem de descrição de harware que, após sintetizado, se transforma em um circuito que realiza a função desejada, seja programado em um FPGA, ou transformado em um circuito integrado (CI).

7 Design no fluxo de projeto de um CI O codificador tem que dominar a linguagem de hardware e utilizá-la da melhor forma possível para traduzir o que está na especificação para um código que seja sintetizável e realize todas as funções desejadas.

8 Agenda História Fluxo Básico Desafios

9 Evolução das técnicas de projeto - complexidade

10 Definição de HDL HDL (Hardware Description Language) Definição: Linguagem de software que descreve circuitos eletrônicos, operações, design e estrutura; Exemplo: Em vez de fazer a captura de esquemáticos, é utilizado HDL para descreve-los.

11 HDL - Gerações SystemVerilog VHDL Verilog ABL ISP, KARL

12 HDL e CIs - Gerações VLSI, Ultra VLSI SystemVerilog Verilog VHDL CIs de larga escala CIs de média escala

13 Questões Como eram implementados os chips antes de Verilog? Como o advento das HDLs mudaram os Circuitos integrados?

14 Antes de Verilog e VHDL Antes das Linguagens de descrição de hardware (até meados dos anos 80): Desenho feito a mão, transistor por transistor, fio por fio; Uma mudança ou erro de projeto implicava em um retrabalho imenso; Simulações SPICE eram necessárias.

15 Antes de Verilog e VHDL

16 Após as Linguagens de descrição de hardware Modificada facilmente; A arquitetura não é definida no código, apenas na síntese; Pode ser simulada com simuladores de HDLs; Codifica-se geralmente a função do circuito.

17 Agenda História Fluxo Básico Desafios

18 Partição de projeto Para lidar com a alta complexidade, o projeto de CIs é particionado em etapas segundo o fluxo de projeto. Outra técnica utilizada é o projeto hierárquico. O sistema é particionado em unidades, que são divididas em blocos funcionais, que contém células, que são formadas por transistores. Cada nível da hierarquia é chamado de nível de abstração.

19 Partição de projeto Cada nível mais alto esconde mais detalhes do projeto. Muitas das etapas de projeto são automatizadas e realizadas por ferramentas. Cabe ao projetista conhecer bem o que a ferramenta faz para atingir os requisitos do projeto.

20 Partição de projeto

21 Fluxo Básico Em alto nível de abstração, quais tarefas são necessárias para desenvolver um chip, partindo da ideia. Implementação: transformar a concepção da idéia ou especificação para representações de hardware físico e lógico; Verificação: garantir a funcionalidade, Implementação o tempo e a integridade das mudanças do design através de todo o processo de concepção do hardware; Verificação

22 Implementação Representações em uma implementação de chip: Especificação: textual, gráfica ou representação de software do comportamento e objetivos do design; Microarquitetura: textual, gráfica ou representação de software da implementação inicial da especificação; RTL: descrição de hardware do design a ser implementado;

23 Implementação Representações em uma implementação de chip: Portas sintetizadas: representação lógica do design depois do mapeamento lógico discreto; Placed/Routed gates: representação física e lógica do design depois de ser desenvolvido as etapas de placed/routed. GDSII: representação física do design antes do tapeout;

24 Implementação Representações em uma implementação de chip: Designer: arquitetura do chip desenvolvida em nível de blocos pelo grupo de engenheiros; Síntese lógica: processo de tradução do RTL para lógica discreta; Place/Route: processo de implementação física da lógica discreta;

25 Verificação Várias etapas são necessárias desenvolve a verificação de um chip: Simulação de Sistemas: simulação do comportamento ou nível de sistema; Simulação Lógica: simulação do em nível de RTL; Simulação em nível de portas: simulação de lógica discreta;

26 Verificação Várias etapas são necessárias desenvolve a verificação de um chip: Verificação Física: checagem de regras de implementação e verificação layout vs. esquemático; Verificação Formal: checagem de equivalência lógica; Timing signoff: Static Timing Analysis;

27 Fluxo de Implementação e Verificação

28 Importancia do RTL RTL é a principal etapa do fluxo: Busca fazer uma descrição estrutural da especificação e da microarquitetura; A maioria dos RTLs são criados manualmente por engenheiros de projetos experientes e qualificados; A qualidade do RTL é diretamente proporcional aos custos do projeto;

29 Perguntas Recapitulando o fluxo de desenvolvimento de um projeto ASIC, como vocês organizariam um grupo de engenheiro para produzir um chip tendo como princípio a ideia? Como a especificação do chip influencia o desenvolvimento de um chip?

30 Agenda História Fluxo Básico Desafios

31 Desafios Design: Tamanho e Complexidade: divisão de um projeto com milhões de portas lógicas entre os membros da equipe, módulos e interfaces; Power: requisito de consumo devem ser considerados num projeto de design; Implementação Design Verificação

32 Desafios Design: Performance: para projetos com alta frequência de clock, devem ser considerados informações da tecnologia utilizada no processo; IP: escolha dos ip corretos devem ser considerados num projeto de chip; Implementação Design Verificação

33 Desafios Verificação Tamanho e complexidade: design grandes e complexos, requerem sofisticadas estratégias de verificação; Testbenches: engenheiros devem criar ambientes de verificação que consiga abranger todas as funcionalidades do sistema; Implementação Design Verificação

34 Desafios Verificação Corner cases/casos específicos: engenheiros devem entender o comportamento do sistema completo, incluindo todas as exceções. Essas exceções são os casos específicos; Desing dirigido a testes: engenheiros devem projetar o design considerando a estratégia de teste no final do produto; Implementação Design Verificação

35 Desafios Implementação Tamanho e complexidade: quanto maior o sistema, mais longo será o tempo de implementação; Consumo: engenheiros devem abordar técnicas específicas com estratégias bem sofisticadas para garantir requisitos de consumo; Implementação Design Verificação

36 Desafios Implementação Tempo e Requisitos de Projeto: com o avanço das tecnologias de processo, está cada dia mais difícil convergir requisitos de tempo com as regras de projeto; Rendimento (Yield): influencia diretamente no tempo de implementação do projeto; Implementação Design Verificação

37 Histórico: Sumário Circuitos integrados tem evoluídos durante os últimos 50 anos e mais rápido nos últimos 20 anos; O advento das HDL habilitou a expansão rápida do tamanho e complexidade dos circuitos integrados; Fluxo Básico: O fluxo básico de um projeto de hardware segue alguns passos que envolvem design, implementação e verificação; RTL é muito importante para descrever a especificação de um projeto para uma implementação final;

38 Desafios: Sumário Existem muitos desafios que devem ser analisados antes e durante um projeto de chip, tanto nas áreas de projeto e verificação, quanto na área de implementação; Em todas as etapas, tamanho e complexidades são os principais desafios de um projeto de circuito integrado atual.

39