Những hành trình đầy cảm hứng
Theo dõi những câu chuyện của các học giả và các chuyến thám hiểm nghiên cứu của họ
Thiết kế Bố cục Hoàn toàn Tùy chỉnh với Bán Tùy chỉnh là gì?
Trong luồng thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh, bạn sẽ tự thiết kế các transistor tạo nên các cổng logic và mạch đếm thời gian. Điều này rất tốn thời gian. Trong luồng thiết kế bán tùy chỉnh, bạn sử dụng các cổng logic và tế bào thời gian đã được thiết kế sẵn từ một thư viện, sau đó kết nối chúng để điều khiển các đèn LED. Cách này sẽ nhanh hơn và ít phức tạp hơn.
Giới thiệu
Trong thiết kế VLSI, quá trình bố cục là yếu tố quan trọng đảm bảo một con chip đáp ứng được các mục tiêu về hiệu suất, công suất và diện tích. Các chip số tuân theo quy trình thiết kế vật lý bao gồm các bước điển hình như sàn nền (floorplan), sắp xếp (placement), tổng hợp cây đồng hồ (clock tree synthesis), và định tuyến (routing). Những bước này phần lớn được tự động hóa. Ngoài ra, còn có một luồng thiết kế từ đầu mà có thể xếp vào nhóm luồng bố cục tùy chỉnh. Luồng bố cục tùy chỉnh này được chia thành hai loại: thiết kế bố cục hoàn toàn tùy chỉnh và bán tùy chỉnh.
Bài viết này sẽ khám phá chi tiết về các bố cục hoàn toàn tùy chỉnh và bán tùy chỉnh, cung cấp các ví dụ về mạch điện, các trường hợp ứng dụng trong ngành, và tổng quan về các công cụ mã nguồn mở có liên quan.
Bố cục Tùy chỉnh là gì?
Bố cục tùy chỉnh trong thiết kế VLSI là quá trình thiết kế thủ công biểu diễn vật lý của một mạch tích hợp ở cấp độ transistor. Người thiết kế xác định chính xác vị trí của các transistor, điện trở, tụ điện, và các kết nối giữa chúng. Quá trình cẩn thận này đảm bảo mạch hoạt động tối ưu về mặt tốc độ, tiêu thụ năng lượng, và hiệu quả diện tích. Bố cục tùy chỉnh là rất cần thiết để đạt được hiệu suất cao nhất và thường được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp, nơi từng nanomet diện tích silicon đều có giá trị.
Luồng bố cục hoàn toàn tùy chỉnh và bán tùy chỉnh là hai phương pháp để thiết kế mạch bên trong của một mạch tích hợp (IC). Dưới đây là phân tích của từng loại với một ví dụ:
Luồng Bố cục Hoàn toàn Tùy chỉnh:
Hãy tưởng tượng bạn đang xây dựng một ngôi nhà từ đầu. Bạn tự thiết kế từng chi tiết, như tường, cửa, cửa sổ, và thậm chí là từng viên gạch. Điều này giống với thiết kế bố cục hoàn toàn tùy chỉnh.
Quy trình:
- Sơ đồ Sơ khai: Bạn xác định chức năng của mạch thông qua một sơ đồ sơ khai, giống như bản thiết kế của ngôi nhà.
- Bố cục Transistor: Bạn thiết kế bố cục của từng transistor, thành phần cơ bản của IC, từ đầu. Đây giống như việc tạo ra từng viên gạch cho ngôi nhà của bạn.
- Sắp xếp và Định tuyến: Bạn sắp xếp cẩn thận tất cả các transistor và kết nối chúng bằng các dây, đảm bảo hiệu suất tối ưu và tối thiểu hóa không gian bị lãng phí. Điều này giống như sắp xếp các viên gạch và xây dựng tường cũng như lối đi trong ngôi nhà của bạn.
- Xác minh & Mô phỏng: Bạn chạy mô phỏng để kiểm tra lỗi và đảm bảo mạch hoạt động như mong muốn. Đây giống như việc kiểm tra độ bền và tính năng của ngôi nhà trước khi xây dựng.
- Chế tạo: Cuối cùng, bố cục được gửi để chế tạo trên tấm wafer silicon.
Ưu điểm: Cung cấp khả năng kiểm soát và tùy chỉnh tối ưu cho các mạch hiệu suất cao.
Nhược điểm: Rất tốn thời gian, đắt đỏ, và đòi hỏi chuyên môn đặc biệt.
Luồng Bố cục Bán Tùy chỉnh:
Hãy tưởng tượng xây dựng một ngôi nhà từ các mô-đun lắp ghép sẵn. Bạn chọn các thành phần đã được thiết kế sẵn như tường, cửa và cửa sổ, sau đó lắp ráp chúng để tạo ra bố cục độc đáo của riêng mình.
Quy trình:
- Định nghĩa Chức năng: Tương tự như luồng hoàn toàn tùy chỉnh, bạn xác định chức năng tổng thể của mạch.
- Lựa chọn Thư viện Tế bào: Bạn chọn các tế bào logic (như cổng, chốt flip-flop) đã được thiết kế và xác minh sẵn từ thư viện, giống như chọn các mô-đun lắp sẵn cho ngôi nhà của mình.
- Sắp xếp và Định tuyến: Bạn sắp xếp các tế bào đã chọn và kết nối chúng bằng dây điện bằng các công cụ phần mềm chuyên dụng. Điều này giống như lắp ráp các mô-đun sẵn có và kết nối chúng bằng dây điện trong ngôi nhà của bạn.
- Xác minh & Mô phỏng: Bạn chạy các mô phỏng để kiểm tra lỗi trong quá trình lắp ráp.
- Chế tạo: Bố cục được gửi đi để chế tạo.
Ưu điểm: Nhanh hơn, ít tốn kém hơn, và đòi hỏi ít chuyên môn hơn so với thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh.
Nhược điểm: Cung cấp ít tính linh hoạt và tùy chỉnh hơn so với thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh.
Ví dụ: Hãy tưởng tượng thiết kế một mạch để điều khiển đèn LED nhấp nháy. Trong luồng hoàn toàn tùy chỉnh, bạn sẽ thiết kế các transistor tạo thành các cổng logic và mạch đếm thời gian. Điều này sẽ rất tốn thời gian. Trong luồng bán tùy chỉnh, bạn sẽ sử dụng các cổng logic và tế bào đếm thời gian đã được thiết kế sẵn từ thư viện, sau đó kết nối chúng để điều khiển đèn LED. Điều này sẽ nhanh hơn và ít phức tạp hơn.
Lựa chọn giữa thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh và bán tùy chỉnh phụ thuộc vào các yếu tố như yêu cầu của dự án, ngân sách, và các ràng buộc về thời gian.
Bố cục Hoàn toàn Tùy chỉnh
Chiến lược Thiết kếThiết kế bố cục hoàn toàn tùy chỉnh là phương pháp chi tiết nhất trong thiết kế chip. Nó đòi hỏi việc bố trí và định tuyến thủ công từng transistor và kết nối. Phương pháp này cung cấp mức độ tùy chỉnh và tối ưu hóa cao nhất, cho phép các nhà thiết kế đạt được các thông số hiệu suất vượt trội.
Trong bố cục hoàn toàn tùy chỉnh, các nhà thiết kế tạo ra thiết kế vật lý từ đầu, điều đó có nghĩa là họ kiểm soát mọi khía cạnh của kiến trúc chip. Điều này bao gồm việc xác định chính xác vị trí của các transistor, chiều rộng và chiều dài của từng transistor, và định tuyến các kết nối kim loại.
Bố cục hoàn toàn tùy chỉnh sử dụng kiểu thiết kế dựa trên sơ đồ thay vì kiểu thiết kế dựa trên ngôn ngữ như Verilog hoặc VHDL (cơ sở cho luồng thiết kế ASIC).
Các Trường hợp Sử dụng
Trong thiết kế VLSI CMOS số, thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh hiếm khi được sử dụng do chi phí lao động cao. Các bố cục hoàn toàn tùy chỉnh chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất vượt trội. Một số ví dụ phổ biến bao gồm:
- Mạch Tín Hiệu Tương Tự và Hỗn Hợp: Các mạch như PLL (mạch khóa pha), ADC (bộ chuyển đổi tương tự-số) và DAC (bộ chuyển đổi số-tương tự), nơi việc kiểm soát bố cục chính xác có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất.
- Mạch RF: Mạch tần số vô tuyến, trong đó bố cục ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu và hiệu suất tổng thể.
Ví dụ về Mạch
Ví dụ phức tạp nhất của bố cục hoàn toàn tùy chỉnh là thiết kế bố cục bộ nhớ. Thiết kế bố cục bộ nhớ trước tiên phụ thuộc vào bố cục của ô nhớ. Do ô nhớ được lặp lại, hiệu quả của ô là yếu tố quan trọng. Do đó, một nhóm kỹ sư thiết kế, các nhà thiết kế bố cục và chuyên gia xử lý sẽ đầu tư hàng tháng trời để phát triển ô có kích thước nhỏ nhất với hiệu suất đáp ứng yêu cầu của ứng dụng.
Xung quanh các ô nhớ này, rất nhiều công sức được bỏ ra để xây dựng tất cả các mạch giao diện. Các khối này phải khớp với khoảng cách giữa các ô nhớ và cung cấp các chức năng phức tạp hơn rất nhiều trong trường hợp này.
Khoảng cách của Ô Nhớ
Khoảng cách của một ô nhớ đề cập đến khoảng cách giữa hai ô nhớ liên tiếp trong một mô-đun hoặc mảng bộ nhớ. Đối với phong cách thiết kế này, một luồng cho phép khám phá kiến trúc và chú thích nhanh trở lại thiết kế là cần thiết.
Các Công cụ Mã Nguồn Mở cho Bố cục Hoàn Toàn Tùy chỉnh
Nhiều công cụ mã nguồn mở hỗ trợ thiết kế bố cục hoàn toàn tùy chỉnh. Một số công cụ nổi bật bao gồm:
- Magic VLSI: Một công cụ bố cục mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi trong học thuật và công nghiệp nhờ tính dễ sử dụng và các tính năng mạnh mẽ dành cho thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh.
- KLayout: Một trình soạn thảo và xem bố cục mã nguồn mở khác, cung cấp các tính năng nâng cao cho thiết kế và xác minh bố cục hoàn toàn tùy chỉnh.
Bố cục Bán Tùy Chỉnh
Chiến Lược Thiết Kế
Bố cục bán tùy chỉnh, hay bố cục cell chuẩn, cung cấp một sự cân bằng giữa thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh và các luồng thiết kế tự động hóa. Trong phương pháp này, các nhà thiết kế sử dụng các cell chuẩn được thiết kế sẵn từ thư viện cell. Các cell chuẩn này đã được đánh giá trước về hiệu suất, công suất và diện tích, giúp đẩy nhanh quá trình thiết kế.
Một thư viện điển hình có thể chứa vài trăm cell, ví dụ như bộ đảo (inverter), cổng NAND, cổng NOR, chốt D (D-latch) và flip-flop.
Phương pháp bán tùy chỉnh bao gồm việc sắp đặt và định tuyến các cell chuẩn này để tạo ra mạch mong muốn. Mặc dù nó hạn chế mức độ tùy chỉnh so với thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh, nhưng lại giảm đáng kể thời gian và công sức thiết kế.
Các Trường Hợp Sử Dụng
Bố cục bán tùy chỉnh là lý tưởng cho các ứng dụng cần sự cân bằng giữa hiệu suất và thời gian thiết kế. Một số ví dụ điển hình bao gồm:
- Mạch Tích Hợp Cụ Thể cho Ứng Dụng (ASICs): Các chip tùy chỉnh được thiết kế cho các ứng dụng cụ thể, nơi mà thời gian ra mắt thị trường và chi phí là yếu tố quan trọng.
- Mạch Số Chung: Các mạch như bộ điều khiển, giao diện truyền thông và các logic số không yêu cầu độ phức tạp cao.
Ví dụ về Mạch
Xét một khối xử lý tín hiệu số (DSP) trong một ASIC. Sử dụng bố cục bán tùy chỉnh, nhà thiết kế sẽ tận dụng các cell chuẩn như cổng logic, flip-flop và bộ chọn tín hiệu từ một thư viện được định nghĩa sẵn. Các cell này được sắp xếp và định tuyến để tạo thành khối DSP, đảm bảo sự cân bằng tốt giữa hiệu suất và hiệu quả thiết kế.
Công Cụ Mã Nguồn Mở cho Bố cục Bán Tùy Chỉnh
Nhiều công cụ mã nguồn mở hỗ trợ thiết kế bố cục bán tùy chỉnh, bao gồm:
- OpenROAD: Một công cụ tích hợp cho thiết kế vật lý của mạch số, hỗ trợ các luồng thiết kế bán tùy chỉnh.
- Yosys: Một khung làm việc để tổng hợp RTL, hoạt động hiệu quả với các công cụ mã nguồn mở khác cho thiết kế bán tùy chỉnh.
- Magic VLSI: Một công cụ bố cục mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi trong học thuật và công nghiệp. Nó được dùng trong cả thiết kế bán tùy chỉnh và hoàn toàn tùy chỉnh.
Tóm lại, cả hai phương pháp thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh và bán tùy chỉnh đều rất quan trọng trong thiết kế VLSI. Thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh mang lại sự tối ưu hóa và hiệu suất vượt trội, trong khi thiết kế bán tùy chỉnh cung cấp tính linh hoạt và thời gian ra mắt nhanh hơn, đặc biệt là đối với các dự án có quy mô nhỏ hơn. Việc nhận biết được những ưu điểm và hạn chế của từng phương pháp là rất quan trọng để lựa chọn phương pháp phù hợp nhất theo nhu cầu và các ràng buộc của dự án.
Nguồn: Techovedas
Biên dịch bởi Admin từ iCdemy.com - Đào tạo thiết kế vi mạch chuyên sâu
0 Bình luận
Danh mục
Bài viết gần đây
Những thách thức đa vật lý trong thiết kế 3D IC
Wed, 05 Feb 2025
Thiết kế SoC: Tương lai của NoC sẽ ra sao?
Wed, 05 Feb 2025
Để lại bình luận