LSI設計の基本 ディジタル回路 天野英晴 ASIC (Appplication Specific IC) 機能目的型のＩＣ 実装方法 ゲートアレイ セルベースド フルカスタム CPU、メモリ、I/O、専用ハードウェアを実装したシステム ＬＳＩ(SoC: System on-a Chip) 携帯電話、情報家電、ネットワーク制御等様々な分野で用いら れる。 日本の半導体産業の主力製品（フラッシュメモリなどを除く と、、） ウェーハ wafer ダイ die HP 5thより 半導体チップの製造 レイアウト→ マスクパターンの作成 円盤状のウェーハ上に長方形のダイを多数製造 マスクパターンを用いて、様々な工程を経てチップが 製造される→ルネサスのサイト（半導体ができるま で）を見てみよう！ ダイを切り出しボンディング パッケージ内に格納 最終テスト 半導体のスケーリング則 2005年くらいまで（90nm,65nmくらいまで） プロセスサイズ(technology size):プロセス技術 が許す最小加工幅が1/kに 集積度はｋの２乗 スピードはｋ倍 電圧は1/k→ 電力がｋの２乗分の１ ３年でプロセスサイズが７０％に減っていく 1.2→1.0→0.8→0.65→0.35→0.25→0.18→0.13 →0.09(90nm) スケーリング則の崩壊 90nm,65nm前後からの傾向 配線遅延の増大：スピードが向上しなくなる → プロセッサのクロック向上も限界に、、 電圧の限界：1.0Ｖ以下には下げるのが困難 リーク電流の増大：電力が下がらなくなる 3年で70％のペースが落ちる しかし、集積度は相変わらず増大 1990年代：ＤＲＡＭ他メモリプロセスと論理プロセスとの分離 2005年以降：高速プロセスと低電力プロセスに分離 チップ設計手法 ゲートアレイ セルベースド （スタンダードセル方式） マスタスライス型 SoG (Sea-of-Gates) Embedded Array ＦＰＧＡに対する競争力がない：現在はほとんど作られない 現在のＡＳＩＣ設計の主流 多数のＩＰを利用 SoC (System-on-a-Chip) フルカスタム 特殊なチップに限定される 初期のゲートアレイの構造 … … … … … … … I/O Pad ゲート領域 配線領域 SOG(Sea Of Gates) … … … … … … … … … … I/O Pad ゲート領域 配線領域 SOGの例（FPU：Rohm 0.6μ） Embedded Array ASICを作る意義 大量生産時のコストの安さ 高速、高集積度 Embedded Arrayとは？ メモリやCPUなどのあらかじめ設計されたレイアウト を使うことができるゲートアレイ Embedded Array RAM CPU … Random Logic ルータチップ内部レイアウト図 RDTルータチップパッケージ MBP-lightのレイアウト MBP-lightの外観 スイッチチップとMBP-lightを用いて作った並列計算機ＪＵＭＰ－１ ハードウェア処理部 コアプロセッサ Martini の諸元 デザインルール 0.14μm ダイサイズ 272.91mm2 メモリ総量 538KB I/O 伝送周波数 RHiNET-2,3/SW 800MHz OIP-SW 250MHz 内部動作周波数 コア部 66MHz DIMM ホストI/F 133MHz スイッチI/F 125MHz パッケージ 784 BGA ASIC版 NIC コントローラに専用ASICを開発 PCI bus/ DIMM slot Martini SO-DIMM 光インタコネクション ASICを用いて製作したＰＣクラスタRHiNET セルベースド設計 小規模なゲート、大規模なIPの全てが自由な位置に配 置可能 そうはいっても、ゲートはやはり並べて配置する 配置、配線を設計者が制御する必要がある 90nmより進んだプロセスでは、Embedded Arrayでは 高い性能を得ることが難しくなり、セルベースド設計に移 行せざるを得ない SoC(System on-a Chip)は主にセルベースド設計 配置、配線操作のオーバヘッドの増大 System on a Chip (SoC) 組み込み CPU アクセラレータ 特定の性能だけ要求されるの ならば、その部分を強化するア クセラレータを装備すれば高い 性能価格比が得られる オンチップバス オンチップネットワーク RAM I/O I/O 専用ハードウェアを装備する のが最も基本的なＳｏＣ 専用ハードウェアに よるアクセラレータ 要求分析 ハードウェア/ソフトウェア 協調設計の流れ 上流の設計技術、高 位合成などの発達 下流の設計コスト増大 の問題 システム仕様 ハードウェア、ソフトウェア 切り分け ハードウェア仕様 ハードウェア機能合成 ハードウェア ソフトウェア仕様 インタフェース生成 インタフェース 組み合わせ、協調検証 システム プログラム生成 プログラム フロントエンド設計 System-CなどCレベル設計 Verilog-HDL, VHDLなどハードウェア記述言語でRTL設計 論理シミュレーション 論理合成・圧縮 高位合成 バグ Synopsys社 Design Compiler 論理合成後のネットリスト バグ 論理合成後シミュレーション バックエンド バックエンド設計 論理合成後ネットリスト フロアプラン 電源ネット生成 レイアウトツール Synopsys社IC Compiler Cadence社SoC Encounter 配置 クロックツリー生成 配線 最適化 エラー レイアウトデータ（GDS) DRC, LVS, ERC Formulation検証 実配線シミュレーション エラー セルベースド設計 バックエンド（配置・配線）以降の負担が大きい 65nm以降、日本の半導体は低リークプロセスが主流と なり、性能はイマイチ（FPGAの倍程度） FPGAでできることは、FPGAでやった方が良い 動的リコンフィギャラブルプロセッサMuCCRA パワーゲーティングを施したCPU Geyser パワーゲーティングが目的なので、、 超低消費電力Silent Mega Array FPGAのライバルなので、、 電力測定が目的なので、、 三次元ワイヤレス接続MuCCRA-Cube 三次元ワイヤレス接続を持つ立体コンピュータ 動的リコンフィギュラブルプロセッサMuCCRAの改良版レイアウト PE MULT CONF MEM MuCCRA-2 Floor Plan [ASSCC07] •ASPLA’s 90nm •2.5mmX2.5mm (Core: 1.5X1.5) 16 ＭｕＣＣＲＡ－３ フロアプラン[ERSA09][FPT09] コンテキストメモリ の深さ：32 Core Density:86% メモリ比率:19.4% チップ:2.1mmX4.2mm 工数：3-4人1.5カ月-2カ月 32 配線後 Geyser-1 e-shuttle 65nm Vdd=1.2V 4.2 mm Shifter ALU MULT DIV リークモニタ Runtime PG PG-cells Power Switch Non-power-gated cells PG-cells VDD GND Power-Isolation Switch cell Driver F/F PowerSwitch Driver GND Isolation cell VDD Local Power Domain Local VGND Lines Local Power Domain Geyser-2 Structure Geyser-2 R3000 Core 210MHz TLB Inst. Cache (8KB, 2Way) MMU Data Cache (8KB, 2Way) 105MHz FPGA IO ,etc SDRAM Board Geyser-2 Layout 2.1 mm 4.2 mm Pin-limited design and only half of die area is utilized 世界一：１００ＭＯＰＳ／ｍＷ Cool Mega Array レベルシフタ PE アレイ μコントローラ パワーゲーティング テスト回路 Power Efficiency of CMA-1 2.4GOPS/11.2mW(247MOPS/mW )was achieved 250 as a result of using big PE array effectively. MOPS/mW 200 150 100 50 0 af sf sepialpha gray F.Clermidy, et.al., "A 477mW edge NoC-Based Digital Baseband for ssatdd MIMO 4G SDR," 2010 Sepia Y.Tuyama, et.al.,"A 45nm DCT 37.3GOPS/W Heterogeneous Alpha Multi-Core SoC," 2010 sad satd Y.Saito,et.al.," Real Chip ssd Evaluation of Dynamically 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 Reconfigurable 1 1.1 1.2 Processor Array Voltage[V] ArrayMuCCRA-3 “, 2009 チップの積層の写真 Inductive-Coupling PE PE Link PE PE Down PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE Inductive-Coupling Up Link 2.5mm Four Stacked Chips on a PCB Board Technology: 90nm, Chip Thickness: 85mm, Glue: 10mm 5.0mm Data Memory GPU(NVIDIA’s GTX580) 128 Cores 128 Cores L2 Cache 128 Cores 128 Cores 512 GPU cores ( 128 X 4 ) 768 KB L2 cache 40nm CMOS 550 mm^2 SUN Niagara 2 Niagara 2 Multi-Core (Intel’s Nehalem-EX) CPU CPU L3 Cache CPU CPU CPU CPU L3 Cache CPU CPU 8 CPU cores 24MB L3 cache 45nm CMOS 600 mm^2 Intel 80-Core Chip Intel 80-core chip [Vangal,ISSCC’07] 今後の授業との関連 計算機構成同演習 LSI設計の流れ ディジタル回路 コンピュータアーキテクチャ VLSI設計演習 SoC設計論 4年春 Verilogによる設計演習 レイアウト演習 大学院 Cレベル設計 システム設計 外部講師 SoC設計演習 大学院 Cレベル設計 システム設計演習 早稲田で他の 大学生と一緒にやる システムLSI特論 大学院 電子工学科 黒田先生
© Copyright 2024 ExpyDoc
