제 6 장 VLSI 설계 방법

1. 제6장 VLSI 설계 방법 정보통신공학과 교수 이종복 2001.10.29

2. 6.1 VLSI의 설계 특성 • Structured Design • Top-down design : • 뜻 : System -> Module->Sub Module • 방식 : divide and conquer • Bottom-up design : • 뜻 : 공정->소자->논리게이트->서브시스템->칩 • 예 : DRAM

4. VLSI에서 강조되는 구조적 설계원칙 • 정규성(Regularity) : 유사한 블록을 반복하여 사용된 설계 • 모듈성(Modularity) : 각 블록을 연결가능하도록 설계 • 국지성(Locality) : 한 셀, 한 모듈의 동작이 전제 회로의 동작에 영향을 미치지 않도록 함.

5. VLSI 제작과정 • Front-end design : 처음~논리회로가 만들어지는 점까지의 단계 • Back-end design : 논리회로~마스크 설계가 이루어지는 점

7. 6.2 Architecture Design • 6.2.1 Algorithm Design • 뜻 : 하드웨어로 구현하고자 하는 알고리즘의 행동(behavior)을 표현하고 동작을 확인함. • HDL • 알고리즘 표현에 유리 • 시뮬레이션 속도가 늦다. • 동시 수행되는 디지털 시스템을 지원 • C • 순차적으로 수행되므로 동시 수행 불가. • 시뮬레이션 속도가 빠르다.

8. 6.2.2 레지스터 전송 표현 • 뜻 : 알고리즘에 있는 논리 및 연산동작을 각 클럭에 맞춰 어떻게 동작할 것인지를 기술

9. 블록 다이아그람 : • 레지스터 전송 표현으로 많이 사용 • 적절한 표현 방법이 아니며 직관적 이해가 어려움.

10. 6.2.3 ASM (Algorithmic State Machine)차트 • 뜻 :하드웨어의 동작을 플로우차트와 유사하게 나타낸 것.

12. 6.2.4 Hardware Description Language • 사용 언어 • C : 시뮬레이션 가능, 합성 불가 • VHDL (VHSIC Hardware Description Language) • Verilog

13. 6.2.5 Data Path 및 Controller • Data Path • 뜻 :데이터를 가공하는 부분 • 예 : 논리연산기, 레지스터 • Controller • 뜻 : Data path를 제어하는 신호를 만들어내는 부분 • 예 : FSM으로 설계됨.

14. Data Path와 Control Path의 분할

15. 6.3 논리설계 • 제어기 구현 방법 • 1) 순차논리회로 방식 • 장점 : 작고 빠른 제어기 구현 가능 • 단점 : 회로 설계와 수정이 어려움.

16. 2) 마이크로 프로그래밍 방식 • 뜻 : 입력신호와 마이크로 프로그램 카운터를 ROM의 어드레스로 입력하여 제어신호를 얻는 방법 • 장점 : 복잡한 제어신호가 필요한 마이크로 프로세서의 제어기로 많이 사용됨 • 단점 : 동작 속도가 느림

17. 6.4 Layout Design • 6.4.1 Full Custom Design(완전주문형) • 뜻 : 트랜지스터와 설계 패턴을 하나씩 그려나가는 방식 • 장점 : 칩 면적이 작고 동작 속도가 빠름. • 단점 : 설계 기간, 비용의 부담이 큼. • 대상 : 메모리, 마이크로 프로세서와 같은 대량 생산용

18. 6.4.2 Semi Custom (반주문형) • 뜻 : 미리 레이아웃 설계와 기능 및 성능의 시험이 끝난 셀들을 사용하는 방법 • 장점 : 시간과 비용을 줄임 • 단점 : 칩 면적이 커지므로 소량 다품종 생산 • 종류 • Standard Cell • Gate Array

19. 1. Standard Cell (표준셀) • 뜻 : 모든 셀들의 높이를 같이하여 옆에 붙일 수 있게 설계하여 데이타베이스를 구축함. 이후로는 셀을 불러서 연결만 함.

20. 용어 • channel(채널) : 셀과 셀 사이의 상호연결을 위한 공간 • Feedthrough : 셀과 셀 간격을 벌인 연결 통로 • 장점 • 레이아웃 기간 단축 및 오류 감소 • 마스크 제작 및 공정시간은 동일 • 다양한 기능 블록 내장 가능

21. 2. Gate Array (게이트 어레이) • 뜻 : 기본셀과 입출력 셀을 배치한 구조에 금속 배선 및 상호 연결 공정만 하여 논리 기능을 바꿀 수 있게 한 것. • 구조 • 전통적 방법 : 소자 배치 영역과 소자 연결에 필요한 채널이 따로 존재 • Sea Of Gates, SOG : 소자만 배치하고 남는 부분에 상호 배선을 수행 • 장점 : RAM, ROM등 집적 용이

23. Embedded Array : Full custom design된 RAM, microprocessor를 내장한 Gate Array.

24. Gate Array의 기본 셀 구조

25. 장점 : • 설계, 공정, 조립의 비용과 시간 단축 • ASIC 설계에 가장 많이 사용 • 제품의 수명이 짧고 빠른 시간내 제품 출하 가능 • 단점 : • 낭비되는 칩면적이 많음. • 대량 생산에 불리 • 게이트별 성능의 최적화가 어려움

26. 6.4.3 FPLD(Field Programmable Logic Device) • 뜻 : 이미 완성된 칩을 사용자가 직접 프로그램하여 사용할 수 있는 소자 • 종류 • PLD : PLA,PAL • FPGA

27. 1. PLA (Programmable Logic Array) • 뜻 : Sum of products 꼴로 표현된 디지털 회로를 구현한 구조 • 방법 : AND와 OR 구조의 트랜지스터를 선택적으로 정해진 위치에 삽입 • 프로그래밍 : VLSI 제조 공정에서 마스크 패턴을 바꿔야 변경 가능함

28. PLD (Programmable Logic Device) • 뜻 : PLA와 같으나 칩의 프로그램을 사용자가 직접할 수 있도록 한 제품. • PAL (Programmable Logic Array) • 뜻 : OR 구조는 결정되어있고 AND 구조의 연결을 변경한 것

29. 프로그램 방법 • 퓨즈를 이용하여 불필요한 연결을 끊는 방법(일회용) • EPROM, EEPROM에서 사용되는 구조를 사용(자외선, 재프로그램 가능) • 장점 : 작은 논리회로를 짧은 시간에 직접 제작 • 단점 : • 설계 제약 많음 • 칩 면적 낭비많음

30. CPLD(Complex PLD) • 뜻 : 칩 내에 여러 개의 PLD를 배치하고 PLD 간의 연결도 프로그램하도록 한 것 • 장점 : PLD보다 복잡한 논리회로의 구현 가능

31. 2. FPGA • 뜻 : 사용자가 직접 프로그램하여 사용(PLD) + 소자의 배치와 배선(Gate Array) • 프로그램 방법에 의한 분류 • 일회용 프로그램 : Antifuse 사용 • 재 프로그램 : • EPROM, EEPROM : • 메모리에 저장된 값이 nMOS pass transistor를 on • MUX 입력을 선택 • SRAM : 전원을 끄면 설계자료가 사라짐

33. 6.5 VLSI의 경제적 구현 • 생산자와 사용자의 관계에 따른 반도체 제품의 분류 • 1) Standard Product : • 뜻 : 다수의 생산자가 불특정 다수의 사용자를 대상으로 생산함. • 예 : TTL, DRAM, SRAM • 2) ASSP : • 뜻 : 특정 영역에서 많은 사용자들이 공통적으로 사용하는 제품 • 예 : 가전제품용 IC

34. 3) ASIC • 뜻 : 단일 사용자가 자신이 설계하는 제품의 일부 기능을 IC로 설계하여 사용하는 경우 • 예: 전자제품, 자동차,통신기기