PROJETO DE CIRCUITOS INTEGRADOS VLSI

Universidade Federal do Piauí Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Elétrica PROJETO DE CIRCUITOS INTEGRADOS VLSI Sistemas VLSI Digitais e Dispositivos de Lógica Programável Prof. Marcos Zurita zurita@ufpi.edu.br www.ufpi.br/zurita Teresina - 2013

Sumário 1. Evolução dos Sistemas VLSI 2. Dispositivos de Lógica Programável 3. Aplicações de Sistemas VLSI 2

1. Evolução dos Sistemas VLSI 3

1. Evolução dos Sistemas VLSI Evolução Histórica Categoria Data Densidade Transistor 1959 1 dispositivo Porta Lógica 1960 1 SSI (Small Scale Integration) 1964 2-10 MSI (Medium Scale Integration) 1967 10-100 LSI (Large Scale Integration) 1972 100-1000 VLSI (Very Large Scale Integration) 1978 1000-10000 ULSI (Ultra Large Scale Integration) 1989 >10000 SLI/SoC (System Level Integration / System-on-Chip) Final dos anos 90 > 10 milhões 4

1. Evolução dos Sistemas VLSI Exemplo: VLSI desenvolvido no Brasil (UFCG) Decodificador MPEG-4 Tempo de desenvolvimento: ~4 anos Numero de transistores: ~430 mil 5

1. Evolução dos Sistemas VLSI 1971 vs 2011 Intel Core i7-3960x ~2,27 bilhões de transistores 3.6 GHz Intel 4004 2300 transistores 740 khz proporção correta 6

1. Evolução dos Sistemas VLSI É possível projetar CIs com mais de 2 bilhões de transistores da mesma forma como se projetavam CIs com 2300 transistores? 7

2. Dispositivos de Lógica Programável 8

2. Dispositivos de Lógica Programável Dispositivos de Lógica Programável (PLD) Ao contrário dos dispositivos SSI, MSI e LSI, PLDs não tem função lógica pré-definida de fábrica. PLDs (Programmable Logic Devices): PLA PAL GAL CPLD FPGA Outros conceitos (FPSC, FPOA, SoPC...) 9

2. Dispositivos de Lógica Programável Memória ROM Antes da invenção dos PLDs, memórias ROM eram muitas vezes utilizadas para criar circuitos lógicos combinacionais. Uma ROM MxN pode ser vista como um circuito combinacional de M entradas e N saídas. Problemas: Em geral, são bem mais lentas do que o circuito equivalente; Consomem mais energia do que o circuito equivalente; Não protegem contra transições assíncronas, gerando glitches; Não possuem saídas registradas, sendo incapazes de gerar lógica sequencial sem a adição de componentes externos. 10

2. Dispositivos de Lógica Programável Exemplo de um SoPC Piloto automático de avião baseado em SoPC. Lado superior: um FPGA com processador NIOS embarcado, um DSP e memória. Lado inferior: um receptor GPS, um conversor A/D, giroscópios e acelerômetros nos três eixos, um sensor de velocidade do ar e um sensor de altitude. 11

2. Dispositivos de Lógica Programável PLA - Arranjo Lógico Programável PLD: Programmable Logic Array. Inventado pela Texas Instruments em 1970 (TMS2000). Arranjo programável de portas AND conectadas a um arranjo programável de portas OR cujas saídas podem, ou não, ser complementadas para gerar as saídas do PLD, ou seja: Portas AND configuráveis; Portas OR configuráveis. Saída obtida pela Soma dos Produtos. 12

2. Dispositivos de Lógica Programável Exemplo de um PLA 3x4 (3 entradas, 4 saídas) 13

2. Dispositivos de Lógica Programável Ex: PLA 3x6 configurado 14

2. Dispositivos de Lógica Programável PAL Lógica de Arranjo Programável PAL: Programmable Array Logic. Inventado pela Monolithic Memories Inc. (MMI) em 1978. ~ ao PLA, mas, só as portas AND são programáveis. Mais simples de fabricar, mais rápido e mais barato. PALs podem incluir OLMCs em suas saídas, isto é, saídas com flipflops para reter os estados lógicos e evitar glitches. PALs com OLMCs podem originar máquinas de estados configuráveis. 15

2. Dispositivos de Lógica Programável PAL 2x1 Simples 16

2. Dispositivos de Lógica Programável PAL 16L8 e 16R8 OLMC* de um PAL 16R8 *OLMC: Output Logic MacroCell 17

2. Dispositivos de Lógica Programável GAL Lógica de Arranjo Genérico GAL: Generic Array Logic. Inventada pela Lattice Semiconductor em 1985. Semelhante à PAL mas com capacidade de poder ter sua configuração apagada e regravada. Ganhou popularidade devido à capacidade de poder ser utilizada na prototipagem de projetos. 18

2. Dispositivos de Lógica Programável GAL 22V10 19

2. Dispositivos de Lógica Programável CPLD PLD Complexo CPLD: Complex Programmable Logic Device. Arranjo configurável de múltiplos PALs/GALs em um único CI. 20

2. Dispositivos de Lógica Programável FPGA - Arranjo de Portas Programável por Campo FPGA: Field Programmable Gate Array. Inventado por Ross Freeman (co-fund. da Xilinx), 1984. Inicialmente, era composto basicamente por 3 componentes fundamentais: blocos de entrada e saída (IOB Input/Output Block); blocos lógicos configuráveis (CLB Configurable Logic Block), e; Matrizes de Interconexão (IM - Interconnection Matrix). 21

2. Dispositivos de Lógica Programável Estrutura básica de um FPGA Blocos de Lógica Configurável (CLB) Blocos de Entrada e Saída (IOB) Matrizes de Interconexão 22

2. Dispositivos de Lógica Programável Cada CLB pode ser programado de forma a implementar pequenos circuitos lógicos; Cada IOB é conectado a um terminal externo do FPGA, podendo se comportar como porta de entrada, saída, bidirecional ou mesmo como um pino não conectado (alta impedância). As matrizes de interconexão são capazes de conectar CLB's e IOB's formando então o sistema completo. 23

2. Dispositivos de Lógica Programável FPGA com memória RAM embarcada 24

2. Dispositivos de Lógica Programável Bloco Lógico (LB) da Spartan-II da Xilinx 25

2. Dispositivos de Lógica Programável Típico Bloco de I/O de um FPGA 26

2. Dispositivos de Lógica Programável CPLD vs FPGA Característica CPLD FPGA não volátil (Flash, EEPROM, PROM) volátil (RAM) MacroCell (até 90 entradas) Logic Block / Logic Element (4 a 6 entradas) 512 até 200.000 Estruturas de Memória não possui Blocos de Memória (até ~10Mbits) Memória Distribuída (até ~1.5Mbits) Atrasos de Roteamento determinísticos variáveis Armazenamento da Configuração Célula Lógica Número de Registradores Atrasos de Propagação podem ser longos se geralmente menores que os muitas interconexões forem do FPGA necessárias. Aplicação sistemas simples, glue logic sistemas complexos 27

2. Dispositivos de Lógica Programável Principais Fabricantes de CPLDs e FPGAs FABRICANTE COMPONENTE DETALHES FPGA, CPLD www.altera.com Achronix FPGA FPGAs de alto desempenho (até 1.5 GHz) <www.achronix.com> Microsemi (Actel) FPGA, csoc FPGAs com μc integrados www.actel.com Cypress PSoC www.cypress.com Lattice Semiconductor FPGA, CPLD FPGAs não-voláteis www.latticesemi.com Xilinx FPGA, CPLD www.xilinx.com Altera 28

3. Aplicações de Sistemas VLSI 29

3. Aplicações de Sistemas VLSI Aplicações de Sistemas VLSI Sistemas VLSI se tornaram comuns na vida cotidiana, quase onipresentes. Mercado demanda aplicações cada vez mais complexas em dimensões cada vez menores VLSI. Algumas de suas principais aplicações: Câmeras digitais; Televisores digitais; Computadores, notebooks, tablets e periféricos; Telefonia celular; Sistemas automotivos; Sistemas biomédicos, etc. 30

3. Aplicações de Sistemas VLSI Sistemas VLSI podem ser desenvolvidos com base em: Processadores (μcs, μps, ASIPs, DSPs, etc); CPLDs / FPGAs; ASICs. 31

3. Aplicações de Sistemas VLSI Sistemas VLSI Baseados em Processador Vantagens Rápido desenvolvimento (tempo com HW é reduzido); Menor exigência técnica (know-how); Desenvolvimento em alto nível; Possível uso de Sos; Alto reaproveitamento de código. 32

3. Aplicações de Sistemas VLSI Sistemas VLSI Baseados em Processador Desvantagens Natureza sequencial; Desempenho limitado em aplicações críticas; Podem ter custos mais elevados em larga escala do que dispositivos dedicados (ASICs). 33

3. Aplicações de Sistemas VLSI DSPs 34

3. Aplicações de Sistemas VLSI Sistemas VLSI Baseados em FPGA Vantagens Permitem desenvolver sistemas dedicados; Elevado desempenho; Natureza paralela; Reconfiguráveis; Mais baratos que ASICs em baixa escala. Menor tempo de desenvolvimento que um ASIC. 35

3. Aplicações de Sistemas VLSI Sistemas VLSI Baseados em FPGA Desvantagens FPGAs tem custo mais elevado do que μcs típicos; Exigem maior capacitação técnica; Geralmente seu desenvolvimento é mais demorado do que o de um sistema baseado em processador. 36

3. Aplicações de Sistemas VLSI Mars Rover: FPGAs Xilinx 37

3. Aplicações de Sistemas VLSI Sistemas VLSI Baseados em ASIC Desvantagens Altíssimo custo em baixa escala de produção; Seu projeto requer mão-de-obra especializada e cara; Tempo de projeto geralmente elevado; Uma vez produzido, o CI dificilmente poderá ser empregado em outra aplicação. 38

3. Aplicações de Sistemas VLSI Sistemas VLSI Baseados em ASIC ASIC: Application Specific Integrated Circuit. Vantagens Recursos otimizados para a aplicação alvo; Desempenho superior ao do FPGA; Pode integrar partes analógicas e de RF; Baixo custo em larga escala de produção. Desvantagens Altíssimo custo em baixa escala de produção. Requer 39

3. Aplicações de Sistemas VLSI Celulares 40

3. Aplicações de Sistemas VLSI MP3 Players 41

3. Aplicações de Sistemas VLSI Automóveis Renault Laguna: SEs representam cerca de 25% dos custos. 42

3. Aplicações de Sistemas VLSI Aeronaves 43

3. Aplicações de Sistemas VLSI Câmeras 44

3. Aplicações de Sistemas VLSI Instrumentos de Teste e Medição 45

3. Aplicações de Sistemas VLSI Controle de Tráfego Urbano 46

3. Aplicações de Sistemas VLSI Medidores de Consumo de Energia 47

3. Aplicações de Sistemas VLSI Controle de Usinas de Energia 48

3. Aplicações de Sistemas VLSI Controle e Automação Industrial 49

3. Aplicações de Sistemas VLSI Relógios de Pulso 50

Bibliografia Peter J. Ashenden, Digital Design: An Embedded Systems Approach Using Verilog, Elsevier, 2008. Karim, M.A., Chen, X., Projeto Digital: Conceitos e Princípios Básicos, LTC, 2009. Vincent Beroulle, VHDL Pour la Synthèse Logique et les Composants Programmables, INPG, 2004. 51