Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 2: Cấu trúc phần cứng hệ thống nhúng - Bài 6: Công nghệ IC

EmbeddedCHƢƠNG Systems Design: 2: CẤU A Unified TRÚC Hardware/Software PHẦN 
IntroductionCỨNG HỆ THỐNG NHÚNG
 Bài 6: Công nghệ IC
 1
 Tổng quan
• Cấu trúc IC
• Công nghệ IC chức năng chung (VLSI)
• Công nghệ IC chức năng chuyên biệt (ASIC)
• Công nghệ IC có thể lập trình (PLD)
 2
 Transistor CMOS
• Nguồn, máng
 – Vùng khuêch tán nơi electrons có thể đi qua
 – Có thể kết nối nhờ tiếp xúc kim loại
• Cổng
 – Vùng Polysilicon nơi đặt điện áp điều khiển
• Oxide
 – Chất cách điện Si O2 chống rò điện áp cổng
 3
 Kết thúc luật Moore?
• Mọi kích thƣớc của MOSFET đã đƣợc thay đổi
 – (PMOS) đã giảm xuống
 • Tăng điện dung cổng
 • Giảm dòng dò từ S sang D
 – Độ dày cổng oxide hiện tại là 2.5-3nm
• Khoảng 25 atoms!!!
 gate
IC package IC oxide
 source channel drain
 Silicon substrate
 4
5
 20Ghz +
• FinFET đã đƣợc sản xuất với độ dày 
 18nm
 – Vẫn hoạt động rất tốt
• Mô phỏng chỉ ra rằng nó có thể đạt tới 
 10nm
 – Hiệu ứng Quantum bắt đầu xảy ra
 • Giảm độ di chuyển điện tích ~10%
 – Truyền dẫn ngƣợc bắt đầu đáng kể
 • Tăng dòng khoảng ~20%
 6
 NAND
• Các lớp kim loại cho việc định tuyến (~10)
• PMOS không phù hợp với mức 0
• NMOS không phù hợp với mức 1
• Một sơ đồ cơ bản cho việc hình thành cổng
 7
 Các bƣớc sản xuất Silicon
• Tape out
 – Gửi thiết kế đến khu vực sản xuất
• Quay
 – Thực hiện một lần trong quá trình sản xuất
• Quang khắc
 – Vẽ mẫu bằng cách sử dụng cản quang để hình thành rào chắn cho quá trình lắng 
 đọng
 8
 Chuyên dụng đầy đủ
• Mạch tích hợp mật độ rất lớn (VLSI)
• Bố trí
 – Đặt và định hƣớng transistors
• Kết nối
 – Kết nối transistors
• Điều chỉnh kích thƣớc
 – Tạo ra các dây nối kích thƣớc dày hoặc mỏng, cho tốc độ 
 nhanh hay chậm
 – Cũng có thể cần thay đỏi kích thƣớc bộ đệm
 9
 Chuyên dụng đầy đủ
• Kích thƣớc, công suất và chất lƣợng tốt nhất
• Thiết kế thủ công
 – Tốn nhiều thời gian/độ linh hoạt cao/giá NRE cao
 – Dành cho các bộ phận quan trọng nhất trong bộ xử lý
 • ALU, đọc mã lệnh
• Công cụ thiết kế vật lý
 – Không tối ƣu, nhƣng nhanh hơn
 10
 Bán chuyên dụng
• Mảng các cổng logic
 – Gồm một mảng các cổng đƣợc chế tạo sẵn
 – “bố trí” và kết nối
 – Mật độ cao hơn, thời gian đƣa ra thị trƣờng nhanh hơn
 – Không tích hợp cao nhƣ các vi mạch chức năng 
 chuyên dụng đầy đủ
• Các “Ô” tiêu chuẩn
 – Một thƣ viện các ô đƣợc thiết kế trƣớc
 – Bố trí và kết nối
 – Mật độ thấp hơn, độ phức tạp cao hơn
 – Tích hợp tốt nhất với chuyên dụng
 đầy đủ
 11
 Bán chuyên dụng 
• Kiểu thiết kế phổ biến nhất
• Phù hợp với các loại
 – Tốt
 • Công suất, thời gian đƣa ra thị trƣờng, 
 chất lƣợng, giá NRE, giá đơn chiếc
• Tích hợp
 – Tích hợp với thiết bị chuyên dụng 
 đầy đủ cho các vùng thiết kế quan 
 trọng
 12
13
 PLD
• Thiết bị logic khả trình
 – Programmable Logic Array (PLA), Programmable Array Logic (PAL), Field 
 Programmable Gate Array (FPGA)
• Tất cả các lớp đã có sẵn
 – Ngƣời thiết kế có thể mua một IC
 – Để thực hiện chức năng mong muốn
 • Các kết nối trên IC đƣợc tạo ra hoặc hủy để thực hiện chức năng
• Lợi ích
 – Giá NRE rất thấp
 – Thời gian đƣa ra thị trƣờng ngắn
• Hạn chế
 – Giá cao, không tốt cho sản xuất hàng loạt
 – Công suất
 • Ngoại trừ PLA loại đặc biệt 1600 usable gate, 7.5 ns
 – Chậm hơn $7 list price
 14
Xilinx FPGA
 15
Khối logic có thể cấu hình đƣợc (CLB)
 16
Khối I/O
 17