VLSI Simulator

1
???? ???
VLSI ???? ???
2
Contents

• Introduction to IC
• ????? (MOS)
• IC ?? ??
• ???? Fourier ??
• ??

3
Introductionto IC

• ????(IC)??
• IC Integrated Circuit? ??
• ?? ?? ???????? ??? ??? ??? ?
• ???, ???, ??? ??, ???
• ???? ??, ???? IC ??/?????
• ??? ???? ???!
• ???? ????
• ????? ??? ? ?? ?????

4
IC? ?? ?????? ??

• 1900?? ???? ??? ??
• - large, expensive, power-hungry, unreliable
• 1947? ????? ??
• ?? Bell Lab? John Bardeen, Walter Brattain
• ????? types
• Bipolar ??
• MOS ???, ? ??
• ? VLSI? ??

5
MOS ????? ???

• MOS ????? ????? ???? ???
• gate ??? ??? source? drain ?? ??? ??? on ?? off

6
IC?? NMOS ? PMOS ? ??? ??

• Inverter ??

??
????? ??
????
7
????? ??? ?? IC ??

• SSI (Small Scale IC) 1100 ?
• MSI (Medium Scale IC) 1001000 ?
• LSI (Large Scale IC) 100010? ?
• VLSI (Very Large Scale IC) 10?100? ?
• ULSI (Ultra Large Scale IC) 100? 10? ?
• GSI (Giga Scale IC) 10? ? ??
• RLSI (Ridiculously Large Scale IC) Next to GSI

8
IC ??? ?(1)

• Intel 4004 Micro-Processor
• 1971
• 2,300 transistors
• 92.6KHz
• PMOS
• 3 mm X 4 mm
• 15V DC

9
IC ??? ?(2)

• Pentium IV
• 42 million transistors
• 0.18 micron
• 1.5 GHz

10
Transistor Counts

• Moores Law ????? ???? 1.5??? ? ?? ??

1000
2X growth in 1.5 years!
100
10
P6
Transistors (MT)
Pentium proc
486
1
386
286
0.1
8086
8085
0.01
8080
8008
4004
Year
0.001
1970
1980
1990
2000
2010
11
Frequency (Speed)
12
Wafer

• ?? Wafer??
• ???, ??, ?? ??? ?? ?? ?? ???? ???
• ???? Wafers? ???? ????? ??? ??? ?
• Wafer? ???? IC?? ??
• ? ?? Wafer? ???? ? ?? ??? ??? ???? IC?? ???? ??

13
Dies per Wafer

• ??? Die? Size? ???? ????? Dies Per Wafer? ???
  ??????? ???? ?

A Die
14
Analog / Digital

• Analog
• ?? ??? ???? ?? ? ?? ?? ???
• Digital
• ?? ???? ?? ???? ?? ? ?? ?? ??? (? 0 or 1 ?? ?? ?
  ??)

15
Analog/Digital IC

• Analog IC
• Analog ??? ??
• ???? ?,?? ???
• ??, ????
• ??? ??
• Digital IC
• ?????? ??
• ????, ??? ?? ??? ??
• IC??? ?? ??? ???? ??
• ??? ????, ???, ??? ??
• Analog IC? ??? ?? ?? ??

16
IC ????(1)
17
IC ??? ??
18
IC ????(2)

• IC ?? ??(??)
• - ?? ??, ?? ? ??? ??
• ??????
• - ?? ???? ?? ????? ???? ?? ????? ????
• ???? ?? (C ? executable program ??)
• ????????
• - ?? ?? ???? ???? ????? ????? ??????
• ?? ??
• - HDL(Hardware Description Language) ??

19
IC ????(3)

• ???????
• - ??????? ?? ????? ??? ??? ??
• - ????? HDL ? ??? ????? CAD ?? ?? ?????? ?? ?? ?
• - ?????? ??? ? ?? ??? ??? ??? ?? ??? ????? ??
• - ? ???? ?? ????? ???? ?? ?? ??? ???? ???
• ????? ?? ??
• ??????
• - ? ????? ??? ?? ?? ??(placement)?? ??(routing)
• - ??? ???? ?? ?? ??? ?? ? ????? ???? ??? ? ???
• ? ????? ??? ? ????? ?? ????? ?? ??
• - ????? ?? ??? ??????? ???? ????????? ????
• ?? ????????
• - ?? ??? ?? ??? ???? ?? ??

20
IC ????(4)

• TR?? Gate Level? Design? ??? ???? Place Route
  (Layout)
• Analog Auto Layout ???
• Digital Auto Layout? ????? ?? ??, ????, ?? ??
  ?? ??? ?? ?? ?? Layout?? ?? ???? ?
• Layout? ??? ???? ?? ??
• ? ????? ??? ??

21
Hardware Description Language (HDL) (1)

• A language used to describe a digital system
• Two major HDLs
• Verilog IEEE standard in 1995 (C-like)
• VHDL IEEE standard in 1987 (Ada-like)
• Advantages
• ??? ???? ??
• IEEE ???? ???? ???? ??? ??????? ?? ??? ?? ASIC
  ??? ???? ??? ???? ?? ??

22
Hardware Description Language (HDL) (2)

• Advantages
• ??? ??? ??? ? ?? ?? (switches, gates, RTL,
  behavioral)
• Functional verification ??
• ??? ? ???? ?? ?? ??? ?? ? debug ??
• Verilog originated in 1983 at Gateway Design
  Automation, now a part of Cadence Design Systems

23
HDL ?? ? MAXplusII ??
24
MAXplusII ?? ??
25
? ??
? ?? ???
? ?? ??
26
Text editor ??
27
CPLD? device ??
28
??? ??
29
??? ??, ?? ??
30
Waveform ??
31
Waveform ??? node ????
32
Waveform ??? ??node ?? box
33
Waveform editor? signal ?? ? ??
34
Simulator? ??
35
????? ??
36
???? ??
37
???? ?? ??
38
Verilog? ??? ?? ??

• Verilog HDL? ?? ?? module(??? ??)? ??
• Module ??
• Module ?? ??
• ??? ?? ?? (????)
• Module ?? ?? ??

module and_2
?? ??
?? ??
?? ??
39
?? ?? ??
module ?? ??(????)
????
register ?? wire ?? parameter ??
???? ?? primitive operator assign?
function? always? ?? ?? ?? ?
endmodule
40
?? Half Adder

• ???? ??? ??? ?

module H_ADD (X, Y, C, S) //??? ??, ???? ??
?? ?? input X, Y // ????
output C, S // ???? and U1 (C, X, Y)
// X, Y? AND?? C? ?? xor U2 (S, X, Y)
// X, Y? XOR?? S? ?? endmodule
// ?? ?, ????? ?? ?? ??

• ?? ?? ?? ??? ??? ?

module H_ADD (X, Y, C, S) input X,
Y output C, S assign C X
Y // X, Y? AND?? C? ?? assign S X Y
// X, Y? XOR?? S? ?? endmodule
41
Layout? ?

• ?? ??? Metal??
• ??? Metal ??? ??
• ??? Wire? ??, ?? TR? Size? ??? Metal? ?? ??
• Crosstalk ? ??? ??? ? ??? Layout??? ?

42
??? IC (ASIC)

• ASIC
• - Application Specific Integrated Circuit
• - ??? ??? ??? ????
• - Full custom, semi custom ??? ??

43
Full Custom ??

• Full Custom Design
• ?? ????
• ??? ??
• ????? ???
• ???? ??
• ? Analog ASIC? ?? Full Custom? ??

44
Semi Custom ??

• Semi Custom Design
• ?? ??? ?? ? ?????? ???? ??
• Placement Routing ? ?? ?? ???? ??
• Full Custom Design? ?? ???? ??
• Full Custom Design?? ?? ???
• ? Digital ASIC? ?? Semi Custom? ??

45
ASIC ??? ? FFT(2005?? ?????? ??? ??)

• ?? ??? Chip? ?? (Packaging ?)

• ?? ????? ??
• 0.35 um ??
• VDD 3.3 V
• Area 12? Cells
• ?? ??? 50MHz
• I/O Pin 208?

46
VLSI ????

• VLSI ?? ??? ??? ??? ????? ?? ?? ??
• ????, ?????? ?? ??? ?? ? ?? ??? ?? ? ?? ??
• ????? ??? ???? Fourier Transform

47
Fourier ??? ?? ??? signal? ?? signal ?? ???? ??
Ex 1? ????? ? abc7 ? a-bc5
? a-b-c1
?? 2a2c12 ? ac6 ?? 2a8 ? a4 ? c2 ?
4-b25 ? b1
Ex 1? ?????
? abc3 ? a-bc1 ? a-b-c-1
?? 2a2c4 ? ac2 ?? 2a2 ?
a1?c1 ? 1-b11 ? b1
48
?? ???? ?? ??
???? signal
49
??? 4? basis??? 4? ????? ??
50
Orthogonality? ??? ?? ??(1)
51
ex)
Orthogonality? ??? ?? ??(2)
52
Periodic DT signal
? ???? ?? ???? ? ???? ???? ???
?? ?? ? ??.
Why?
53
???? ???? ??? ??? ??!
54
??? ?? ??? ?????
??
55
Fourier series (1)
Basis? N?? ????? N ?? basis? ???? ??
56
Fourier series (2)
??????? ? ?? ???? ?? ??? ??? ?
DTFS
synthesis equation
analysis equation
57
Fourier series example
58
Fourier series ?? ??
59
Fourier ??

• - Orthogonality ???? ?? ??
• - ??? ??? ??? ??(??? ??? ??) ??
• ???? Fourier series
• ????? Fourier transform
• ????? ??
• Discrete time Fourier transform? ?? ?? FFT

60
??? ??

• ??? ??? ??, ???, ??, ??? ? ?? ??? ?? ???? ?????
  ??
• ?? ?????? 20042010??? 6.4? ??? ???? ??? ???
  ????, 2010??? ???? 3180? ??? ?? ??? ??
• ??? ??? ????? ??? ??? 2004?? ???? 25.7 ??? 1024?
  ?? ??? ???, 2010??? 1666? ??? ?? ??? ??
• ???? ???? ?? ??? ??? 80 ??? ???? ??? ?? ???? D??
  ??? ??? ?? ??? ????? ??

61
??

• ????? ????? ??????? ??????? ????? ???? ?? ??
• ??????? ??? ??, ??????, ???, ???, ???? ???? ???
  ????? ??? ??? ?? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ????
  ??????(SOCSystem-On-a-Chip)??? ???? ??
• ???????? ???? ???? ??? ???? ?? ??? ????? ???? ???
  ??? ??? ?? ??? ??? ??