Công nghệ FPGA, ASIC

9/5/2011
1
Phần II:
Field Programmable Gate Array
Application Specific Integrated Circuit
• Tổng quan (1)
• Kiến trúc (2)
• Qui trình thiết kế FPGA, ASIC (1)
• Giới thiệu công cụ thiết kế và triển khai (4)
1/4
1980s, VLSI xuất hiện  thiết kế IC theo nhu cầu.
Độ phức
tạp tăng
40% mỗi
năm.
Nhu cầu
thiết kế
tăng 15%
mỗi năm
Mức ñộ tích hợp của PCB trên mỗi die
2/4
Silicon, 2010
29email
Mật ñộ
(Gb/cm
2
)
Tốc ñộ truy
xuất (ns)
DRAM 8.5 10
DRAM (logic) 2.5 10

SRAM (cache) 0.3 1.5
Mật ñộ
(Mgate/cm
2
)
Năng lượng
(W/cm
2
)
Xung ñồng hồ
(GHz)
Custom 25 54 3
Std. Cell 10 27 1.5
Gate 5 18 1
Single-Mask GA 2.5 12.5 0.7
FPGA 0.3 4.5 0.25
Die Area: 2.5x2.5 cm
Voltage: 0.6 V
Technology:0.07 µm
3/4
30email
Intel 4004 (1971) - thiết kế thủ công
9/5/2011
2
4/4
ASIC ra ñời so nhu cầu về các hoạt ñộng thiết kế
ngày càng tăng.
Hội nghị các vi mạch tùy biến theo khách hàng
của IEEE ñưa ra các tài liệu hướng dẫn phát triển
custom IC.

Thiết kế = IC chuẩn + custom IC
Từ custom IC  thuật ngữ Application Specific IC
31email
1/3
ASIC không ñồng nhất với custom IC.
IC chuẩn: ROM, RAM, DRAM, Processor, etc.
ASIC: chip cho ñồ chơi biết nói, chip cho 1 vệ tinh, chip
cho bộ xử lý dưới dạng cell cùng với mạch logic.
Qui tắc phổ biến: “Nếu một IC xuất hiện trong
sách tra cứu, thì ñó không phải là ASIC”.
ASIC, IC chuyên dụng.
Application Specific Standard Product.
1/2
ASIC ñem lại cơ hội sản xuất với số lượng lớn;
các bộ phận ñược tiêu chuẩn hóa ñể nhanh chóng
trở thành sản phẩm thương mại.
Giá thành giảm theo số lượng.
None Reducing Cost.
Quy trình Cost Down trong các nhà máy.
Hiệu quả kinh tế trong thiết kế
Thực hiện prototype nhanh với số lượng thấp.
Thiết kế theo nhu cầu, chuyên sâu, số lượng lớn.
33email
2/2
Có công cụ CAD cần thiết ñể ñạt ñược hiệu quả
trong chiến lược thiết kế:
Thiết kế mức hệ thống: VHDL
Thiết kế mức vật lý, từ VHDL tới silicon, timing closure
(Monterey, Magma, Synopsys, Cadence, Avant!)
Chiến lược thiết kế: Hierarchy - phân cấp;

Regularity; Modularity - mô ñun; Locality.
34email
9/5/2011
3
Thiết kế là một quá trình liên tục cân ñối các tham
số ñầu vào, ñể ñạt ñược hiệu quả mong ñợi.
35email
• chức năng, thời gian, tốc ñộ, năng lượng
Hiệu năngHiệu năng
• chi phí sản xuất
Kích thước dieKích thước die
• lập lịch và chi phí nghiên cứu
Thời gian thiết kếThời gian thiết kế
• lập lịch, chi phí nguồn lực, chi phí sản xuất
Test và Stability TestTest và Stability Test
36email
Ý tưởng thiết kế
Đặc tả thiết kế
Thiết kế hệ thống
HDL
Giả lập
Thiết kế mức cổng
Tổng hợp
Giả lập
Thư viện
cell
Layout
Kiểm tra Layout
Sản xuất
Kiểm thử chip

Sản phẩm
c := a + b;c := a + b;
if (c == 1) then if (c == 1) then cfcf := 1;:= 1;
SimulinkSimulink
SynopsysSynopsys
CadenceCadence
NovelusNovelus
37email
Mức thiết bị
Mức mạch
Mức cổng
Mức mô-ñun
chức năng
Mức hệ thống
1/2
38email
Full Custom IC
• Thiết kế rất
phức
tạp, hàng
trăm man-
year
• ~ 25M gate
• Phải sản
xuất với số
lượng cực
lớn mới
Cell Base IC
• Các cell là
Flip-

Flop, gate,
hoặc bộ xử
lý ñã ñược
ñịnh nghĩa
trước, ñược
tái sử dụng
lại,
• Sản xuất
với số
lượng 100k
sản phẩm/
năm
Programable Logic Device
• Dựa trên
công nghệ
ROM/PROM,
cấu tạo chỉ
gồm các lớp
cổng
AND, OR và
một số Flip
Flop.
• Sản phẩm
khá ñơn giản
với khoảng
1K gate.
• Sản xuất ñơn
lẻ ñược
Gate Array
• Các trans tạo

sẵn thảnh
mảng, và
nhà thiết kế
thực hiện
việc tạo các
liên kết nối
giữa chúng
bằng cách
sử dụng các
thư viện cell
và CAD.
• Sản xuất ñơn
lẻ ñược.
FPGAFPGACPLDCPLD
9/5/2011
4
2/2
39email
FPGA, PLD,
CPLD ñược
xếp vào nhóm
các IC lập trình
ñược bởi
người dùng
1/4
40email
Phát sinh thứ 1:
Một khi chip ASIC càng mạnh thì thiết kế càng
tinh vi, phức tạp, càng tiềm tàng những sai sót
lớn.

Các phần mềm hỗ trợ, giả lập chưa thực sự
phản ánh hết ñược hoạt ñộng thực tế của hệ
thống.
Để kiểm tra thiết kế, người kĩ sư buộc phải ñặt
các nhà sản xuất sản xuất chip ñơn lẻ và kiểm
tra trên các ứng dụng, môi trường thực  tốn
thời gian, và tiền bạc.
 cần hệ nền kiểm thử phần cứng nhanh chóng.
2/4
41email
Năm 1984, Ross Freeman, Bernard
Vonderschmitt, ñồng sáng lập công ty Xillinx.
Năm 1985, Xilinx ñưa ra dòng FPGA thương mại
ñầu tiên, XC2064. Năm 2006, Freeman ñược
vinh danh tại National Inventors Hall of Fame vì
sáng chế này.
FPGA dựa trên các công nghệ nền tảng như
PROM và PLD, nhưng với kiến trúc mới hiệu
quả hơn.
Các thiết kế IC ñược thử nghiệm prototype trên
các chip FPGA ngay lập tức  tiết kiệm thời
gian và tiền bạc.
3/4
42email
Phát sinh thứ 2:
Các nhà sản xuất lớn chỉ cung cấp các chip
thông dụng trên thị trường, với số lượng lớn.
 bỏ qua nhu cầu về các IC chuyên dụng có số
lượng thấp, nhưng tổng nhu cầu thì rất lớn.
Phát sinh thứ 3:

Ban ñầu, các chip lập trình ñược có giá thành
khá cao và tốc ñộ chậm, chỉ sử dụng trong các
phòng thí nghiệm.
Khi công nghệ sản xuất phát triển vượt bậc, thì
các chip lập trình ñược ngày càng mạnh và rẻ
 ứng dụng ñại trà.
9/5/2011
5
4/4
43email
Hệ quả: Chân trời mới
FPGA không chỉ là chip prototype trong các
phòng thí nghiệm, mà thực sự trở thành sản
phẩm thường mại ñại chúng.
Thị trường phần cứng ñược cung cấp một dòng
sản phẩm có thể thiết kế và sử dụng ñược ngay.
Các công ty vừa nhỏ, các kỹ sư hoạt ñộng ñộc
lập, không phải lệ thuộc vào các IC của các nhà
sản xuất lớn  tự do sáng tạo.
vsvs
44email
CustomICCustomIC FPGAFPGA
Sản xuất nhỏ
Tối ưu tính năng
Chi phí chế tạo thấp
Sản xuất lớn
Tối ưu tốc ñộ, năng
lượng…
Chi phí chế tạo lớn
1/2

45email
Flexibility &
Expandability
31%
Best
Performance
(thoughput
speed)
15%
Lowest Cost
17%
Lowest
Power
3%
Complete
Solution
18%
Quality,
Reliability
9%
Easiest to
use
4%
Other
3%
Nguyên nhân sử dụng chip ASIC prototyping
1/2
46email
Hard IP
Hard IP

Soft IP
Soft IP
Others

EDA
Tools
System On Chip
IP-based
Platform-based
EDA
Integrator
Application specific integration platform
EDA
Tools
Derivative
Hard IP
Others
Soft IP
EDA
Tools
9/5/2011
6
47email
Intel Core i7 die
RCC, Reconfigurable Computing. Ví dụ:
RAM, ROM, PLA, PAL.
FPGA với tính chất lập trình ñược cao, ưu việt, là
ñại diện của RCC.
48email
Input: Địa chỉ

Output: Giá trị
Giá trị = f(Địa chỉ)
y = f(x)