Учебно-научный центр Mentor Graphics - МИЭТ

Системы на кристалле – новая методология проектирования заказных микросхем

Системы на кристалле (СНК) это методология разработки заказных микросхем на основе уже готовых сложнофункциональных блоков (СФ-блоков). Основой методологии является совместимость СФ-блоков в системе по принципу “включи и работай” (plug-and-play в англоязычной литературе).

Для реализации этого принципа СФ-блоки должны разрабатываться как автономные устройства со своими системами питания, синхронизации и интерфейсами.

Первая составляющая методологии систем на кристалле – это единые требования к СФ-блокам. Обязательными являются требования технологической совместимости, наличие детальных спецификаций и моделей высокого уровня.

Вторая составляющая – это конкретные базовые решения, обеспечивающие выполнение требований совместимости СФ-блоков.

СФ-блоки должны включать и элементы инфраструктуры системы (интерфейсы, системы питания и синхронизации, встроенные средства контроля). Инфраструктурные блоки не должны занимать большую площадь кристалла и использовать много внешних компонентов.

Третья составляющая – это универсальные правила, обеспечивающие объединение СФ-блоков в систему с наименьшим взаимным влиянием.

Маршрут проектирования СНК существенно сокращается и упрощается по сравнению с маршрутом полностью заказных микросхем. Методология проектирования СНК приближается к методологии разработки систем на печатных платах. Основной этап проектирования – это системный. Именно на этом этапе определяются все основные характеристики разрабатываемого микроэлектронного устройства. Этапы функционального проектирования и верификации объединяются и упрощаются. Моделирование схемы на транзисторном и вентильном уровнях вообще может не проводиться. Используются только модели высокого уровня. Возможно и исключение этапа макетирования СНК, если все используемые СФ-блоки аттестованы и адекватно описаны на языках высокого уровня (VHDL, VHDL-AMS и др.). Физическое проектирование также существенно упрощается, т.к. число используемых СФ-блоков и сигнальных связей между ними сравнительно невелико. По существу СНК являются полузаказными микросхемами и основные затраты приходятся на создание системы проектирования и распространения СФ-блоков. Основная выгода состоит в том, что каждый

СФ-блок используется во многих изделиях. Кроме этого, в несколько раз сокращается время разработки конечных продуктов. Методология проектирования систем на кристалле предписывает выполнение проекта по двум направлениям.

    Направление “сверху – вниз” включает:
  • cоставление общей спецификации на СНК;
  • разработку системной модели;
  • подготовку требуемой номенклатуры СФ-блоков;
  • функциональное моделирование СНК;
  • физическое проектирование;
  • верификацию модели.
    Направление “снизу вверх” включает:
  • подготовку спецификаций на требуемые СФ-блоки;
  • отбор готовых блоков;
  • приобретение или разработку недостающих блоков;
  • разработку и верификацию моделей высокого уровня для используемых СФ-блоков.

По уровню затрат на разработку и подготовку производства СНК занимают промежуточное место между универсальными микросхемами и ПЛИС. Промежуточных уровней можно выделить несколько. Самый затратный уровень – это комплектование проекта имеющимися СФ-блоками и разработка недостающих. При этом требуется полный цикл физического проектирования кристалла. В структурных СНК на базовом кристалле уже размещены СФ-блоки. Функциональная схема формируется из заданного набора СФ- блоков путем создания системы металлизированных соединений. Если структура СФ-блоков на базовом кристалле повторяет структуру ячеек ПЛИС, то проект можно полностью отладить на макете с ПЛИС, а затем перенести на базовый кристалл. Такие СНК называют “жесткие копии ПЛИС” (FPGA Hard Copy). Выигрыш достигается за счет исключения системы программирования соединений. Площадь кристалла при этом сокращается до 10 раз, соответственно повышается быстродействие и снижается потребляемая мощность. Самый дешевый способ разработки - это конфигурируемые СНК. По сути – это уже структурные ПЛИС. Разработчик программирует и функции СФ-блоков и связи между ними. Отличие от регулярных ПЛИС состоит в том, что СФ-блоки специализированы и достаточно разнообразны. Специализация блоков позволяет в несколько раз сократить площадь кристалла по сравнению с регулярными ПЛИС

HDL Designer - Создание проекта на языках Verilog, VHDL, System Verilog

ModelSim - Система моделирования и среда верификации цифровых систем.

Precision - Средство логического синтеза высокопроизводительных ПЛИС типа PLD и FPGA, оптимизированное с точки зрения простоты использования и высокого качества результатов.

Vista - Расширенный набор средств отладки проектов на языке SystemC, включающий также мощные механизмы просмотра и отладки RTL и C/C++-ориентированных описаний.

Pyxis - Программный для работы с цифровыми, аналоговыми и смешанными проектами.

ADMS - комплексная система моделирования многоязыковых проектов описанных на таких языках как VHDL, Verilog, SystemVerilog, SPICE и т.д.

Eldo - Система аналогового SPICE-моделирования

Calibre - Программный комплекс для верификации топологии


    Основные дисциплины, читаемые магистрам в «УНЦ проектирования Mentor Graphics» по направлению «Проектирование систем на кристалле»:
  • Проектирование сложных систем
  • Проектирование микроэлектронных устройств
  • Функциональное проектирование и верификация систем на кристалле
  • Проектирование аналогово-цифровых блоков и систем с использованием ADMS
  • Физическая и формальная верификация проекта средствами Calibre
  • Основы топологического проектирования с использованием Pyxis
  • Логический и физический синтез ПЛИС типа PLD/FPGA
  • Основы конструирования и технологии электронных средств с использованием Pyxis
  • Перспективная база электронных средств

  • Адамов Ю.Ф., Грушевский А.М., Тимошенков С.П. Современные проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем. Часть 1, 164 стр.
  • Адамов Ю. Ф., Сомов О.А. Проектирование элементов микроэлектронных аналогово-цифровых блоков. Часть 4, 364 стр.