VIII. BERENDEZÉSORIENTÁLT DIGITÁLIS INTEGRÁLT ÁRAMKÖRÖK (ASIC) 1
A korszerű digitális tervezés itt ismertetendő (harmadik) irányára az a jellemző, hogy az adott alkalmazásra céleszközt (ASIC - application specific integrated circuit berendezés orientált integrált áramkör) fejlesztünk ki. A módszer előnye, hogy így pontosan azt kapjuk, amire szükségünk van (funkció, sebesség, fogyasztás... szempontjából). 2
VIII.1. AZ ASIC TÍPUSAI A korszerű ASIC tervezésnek három irányzata van, attól függően, hogy milyen alapelemekkel dolgozunk, ill. milyen szinten avatkozunk bele a gyártástechnológiába. Az egyes irányzatok megértése céljából szükségesek bizonyos alapvető ismeretek az integrált áramkörök gyártásának folyamatáról 3
Egy integrált áramkör szennyezett szilícium-, poli-szilícium-, fém- és szilícium dioxid rétegek ismételt struktúrájából épül fel, mindez egy hordozó szilícium lapon (wafer, szelet) helyezkedik el. Egyes rétegekben tranzisztorokat képeznek ki, míg másokban vezetékek sokaságát, de szükségesek szigetelő rétegek is. Az integrált áramkörök gyártásának alapját a litográfia képezi, amely tetszőleges mintázatú (pattern) rétegek létrehozását teszi lehetővé a félvezető-, vezető- és szigetelő rétegekben. 4
A mintázatot maszkok segítségével hozzuk létre a maszk nyílásain keresztül végezzük a kristály szennyezését valamint a vezető és a szigetelő réteg felesleges részeinek eltávolítását (maratás). Minden maszk az adott réteg egyedi mintázatát eredményezi. A mai integrált áramkörök 10-15 rétegből készülnek, ezért a litográfiai eljárást 10- szer vagy akár 15-ször is meg kell ismételni, minden egyes alkalommal egyedi maszkot alkalmazva. 5
Következő ASIC tervezési irányzatok ismeretesek: Ø felhasználás specifikus (full-custom) ASIC, Ø standardcellás (standard-cell) ASIC, Ø kapumátrixos (gate array) ASIC. 6
VIII.2. AZ ASIC TERVEZÉSÉNEK ÉS GYÁRTÁSÁNAK MENETE 1. A tervezés első lépése a feladat egzakt módon történő leírása. Az integrált áramkörök fejlesztésének első egy-két évtizedében a kapcsolási rajz volt a kézenfekvő: az alkatrészeknek megfelelő szimbólumokat és a vezetékeknek megfelelő vonalakat kellett elhelyezni a rajzlapon. 7
A mai VLSI eszközök tervezésénél, tekintettel a sokmillió tranzisztorra, a kapcsolási rajz elkészítése emberileg lehetetlen feladat. A feladatleírás fő eszközei ma a hardvernyelvek (HDL hardware description language) 8
2. A hardvernyelvi leírást le kell ellenőrizni, hogy azt a funkcionalitást tartalmazza-e, amelyre szükségünk van. Az ellenőrzés fő eszköze a szimuláció, de mindinkább fejlődnek a formális verifikáció módszerei is. 3. A tervezés következő lépése a logikai szintézis. A szintézist végző szoftver a magas szintű leírást logikai egyenletekre bontja, majd ezek alapján kialakítja a megvalósítandó áramkör kötéslistáját logikai kapuk szintjén. 9
4. A kapuszintű áramkört el kell helyezni a szilícium lapka felületén. Erre is léteznek szoftvereszközök. Első lépésben az elhelyezést magas szinten kell megoldani (floorplanning): a nagyobb funkcionális blokkok helyét kell kijelölni. 5-6. Miután a globális elhelyezést megoldottuk, át kell térni az alacsonyabb szintre: el kell helyezni a logikai kapukat, majd ki kell alakítani a kötéseket. Külön figyelmet érdemel a tápvezetékek és az órajel vezetékek kialakítása. 10
AZ ASIC TESZTELÉSE Az eddigiekben a terv helyességének vizsgálatára szimulációkat javasoltunk. A VLSI eszközök (közöttük az ASIC) tesztelése egy sokrétűbb feladat, tekintettel az áramkörök bonyolultságára. A gondos tervezésbe is becsúsznak hibák, általában lehetetlen első nekifutásra működőképes chipet készíteni. 11
Az ASIC modellezése és a terv vizsgálata különböző absztrakciós szinteken történhet. 1. Rendszer szint: az eszközt fekete doboznak tekintjük, működését a hardvernyelvi leírás alapján tanulmányozhatjuk. 2. RTL (register transfer level) szint: az eszközt komplex funkcionális egységek (regiszterek, multiplexerek, ALU, számlálók, dekóderek stb. kapcsolataként modellezzük. Ezt a szintet főleg processzorok adatútjainak a leírására fejlesztették ki. 12
3. Logikai szint: az ASIC működését Boole függvények, kapuk, flip-flopok felhasználásával írjuk le. Ez a szint alkalmas az időzítések vizsgálatára. 4. Áramköri szint: a leírás tranzisztorok segítségével történik, eredményként konkrét áramokat és feszültségeket kapunk. A magasabb szintű absztrakció bonyolultabb objektumok leírását teszi lehetővé. Hátrány viszont, hogy egyre kevesebb finom részletet tudunk meg a vizsgált eszközről. 13