I бөлім. Жобалау

1. Сандық жүйелердің жүзеге асырылулар

ЖӘНЕ ВЕРИФИКАЦИЯЛАР ТЕХНОЛОГИЯСЫ

1. Сандық жүйелерді жасауға арналған аппараттық құралдар

Hardware/Software Design and Test негізгі мақсаты – қолданушылардың кең шеңберіне әлемде талап етілген өте кішкентай, мамандандырылған, үнемді, мобильді және тез әсер еткіш сандық бұйымдардың жасау технологиясын көрсету. Электроника нарығында жаңа құралдардың енгізілуі немесе алға басуы кез келген әдісті анықтаудан (апробация) немесе HDL-тілдерде кодтың жүйелік орындалу алгоритмінен басталады. Жеткілікті толық верификациядан кейін жоба жасаушының авторлық құқығы барына кепіл беретін IP-core түрінде нарыққа шығарылуы мүмкін.

Келесі кезең IP-core –дың бағдарламалық логиканың кристаллына жүзеге асырылуы (имплементация) болуы мүмкін, қателіктерді түзеу және шығару, түзетуге жіберу процесстерінде жеке функциялардың қайта бағдарламалауы на мүмкіндікті қалдыра, тез әрекет етушілікті арттыруға мүмкіндік береді. Технологиялық шешімнің ерекшелігі және нарықтық тартымдылық оның ASIC кристалға имплементациясы үшін критерий болып табылады. Бұл жағдайда жүзеге асырылған жүйенің тез әрекет етушілігі максималды болады, бірақ мұнда қателіктерді түзетуге болмайды, сондықтан жоба идеалды түзуленген болуы тиіс. Сөйтіп нарықта жаңа технологияның алға басуы түрлендіру үшін кемдеу болатын, бірақ мәселені шешу үшін аса өнімділікті бола алатын, Software –дан Hardwarі –ға өту жоба эволоциясымен байланысты.

ПЛИС кристалдарын айтатын болсақ, олар жасаушыларға тез әрекет етуші мамандандырылған кірістірілген сандық жүйелерді жобалауға арналған жаңа мүмкіндіктерді береді. Бағдарламаланатын логиканың жетістігінің дәлелі ретінде жаңа, жетілген архитектурасы, кірістірілген процессоры және жетекші шетелдік өндірушілермен шығарылатын көлемдерінің өсуі бар ПЛИС ұрпақтарының пайда болуы әсер етеді. Бағдарламаланатын логика архитектураларының дамуының талдау тенденциялары жақын уақытта сандық жүйелердің элементтік базасының негізін CPLD, FPGA, HardCopy, ASIC бағасы және өнімділігі бойынша қуып жететіндер, бірақ микросхемалардың жаппай өндірісін қамтамасыз етуге верификацияланған әдістемелерді талап етпейтіндер құрайды.

Электронды технологиялар нарығында компьютерлік өнімдерге әсер ететін үш негізгі құрауыштар арасында себеп-салдарлық байланыс бар. Бұл ең біріншіден - кристалдарға арналған силиконды пластиналарды жасау технологиясы, нарықта ұсынылатын типтері чиптер (микросхема) немесе кристалдар, сандық және аналогтық аппаратураны және бағдарламалық өнімдерді сипаттауға арналған тілдер, жүйелерді жобалауға және кристалдағы желілерге арналған EDA-құралдары.

Негізгі үш кристалл типтерінің (PLD, ASIC, CPU) әрбіреуінде кемшіліктерін ескере, өндірушілер құндылықтарын біріктіре, олардың ықпалын азайтуға тырысады. Нарықта осындай қызықты комбинациялар пайда болады: {PLD+ASIC} – Lucent Technologies (OR3TP12), Quick Logic (RAM, PCI, DSP), Cyprus Semiconductor (PCI), Altera (Stratix), Xilinx (Virtex II-VI, Spartan 4-6). Кейін CPU иілгішін және басқарылуын, PLD қайта бағдарламалануын, ASIC тез әрекет етуін интегралдайтын {PLD+CPU} – Atmel (FPSLIC), Triscend (E5, A7), Xilinx (Virtex II Pro), Altera (Excalibur), {ASIC+CPU} – микроконтроллерлер, {PLD+ASIC+CPU} сияқты құрауыштар интегралданады. PLD функционалды мүмкіндігінің соңғы жетістіктерін бейнелейтін мысалы 1.1 кестесінде келтіріледі, қазіргі жасаушыларға арналған кірістірілген функционалдықтардың немесе құралдардың кең палитрасын көрсетеді [1].

1.1 кесте. Spartan-6 тегінің (семейство) кристалл сипаттамалары

Spartan-6 тегінің кристалдары жаппай өндірістің бұйымдарында қолдану үшін тиімді етілген және микросхемалардың біршама арзан бағаларында кең мүмкіндіктерді қамтамасыз етеді. Оған 3400-ден 148 000-ға дейін тығыздықты энергия тұтынуы екі есе азайтылған, жоғары жылдамдықты және иілгіш трассировты ресурстарымен қамтылған логикалық ұяшықтары бар11 кристалдарды қосатын екі тек бөлігі (подсемейство) кіреді. LX тек бөлігі логикалық функцияларды атқару үшін бағытталған. LXT – жоғары жылдамдықты тізбектес интерфейстердің жүзеге асырылуына бағытталған. Spartan-6 тегінің кристалдары баға, қуат және өнімділік арасында оптималды балансты орнатуға мүмкіндік беретін істеліп біткен 45-нм КМОП-технологиясымен жасалған. Оларда екі триггері және алты кірісті өзгертулер кестесі (Look-up Tables – LUTs) бар жаңа, эффективті логикалық ұяшықтар қолданылады. Логикалық ұяшықтар секцияда (slices) жұптармен бірігіп жатады. CLB әрбір күйге келтірілетін логикалық блогында LUT-тың 4 кестесі және 8 триггерлер (2 секция) бар. Жүйелік деңгейдің кірістірілген блоктарының үлкен таңдауы бар. Block RAM – та 9 кбиттен екі блок бойынша бөлуге болатын 18 кбит сыйымдылықты жады болады.

Сигналдардың сандық өңделу блогының екінші ұрпағы DSP48A1 18x18 көбейткіштерден, 48-биттік аккумулятордан, алдын ала сумматордан және 250 МГц жиілікте жұмыс істейтін конвейеризацияға арналған регисторлардан тұрады. SDRAM жад контроллерлері 12,8 Гбит/с-ке дейін өткізу жолағын қамт амасыз етеді. Жетілдірілген басқару блогы және синхронизацияның сигналдар синтезі (Clock Management Tile, CMT) бар. Кристалдар SelectIO^TM технологиясының қолдауын қамтамасыз етеді және жоғары жылдамдықты энергия тұтынумен оңтайландырылған, GTP қабылдағышты-таратқыштары, сонымен қатар PCI Express^TM үшін кірістірілген шеткі құрылғысы бар. Оған қоса қорек көзін басқарудың жетілдірілген режимдері, конфигурацияның автоматты анықталуы және Device DNA технологиясын және AES конфигурационды тізбектес шифрлеу алгоритмін қолдану арқылы рұқсатнамасыз жобаның күшейтілген қорғанысы бар.

Virtex-6 тегінің кристалдары жоғарғы технологиялық аппаратурада қолдану үшін тиімді етілген, жетілген қасиеттерімен сипатталады және FPGA нарығында өте кең мүмкіндіктерді қамтамасыз етеді. Модульды логикалық блоктардың бағанында орналастырылатын ASMBL^TM инновациялық архитектурасының (Advanced Silicon Modular Block) қолданылуы қолданудың әртүрлі облыстарына (домендер) бағытталған әртүрлі платформаларды (тектер бөлігі) жасауға мүмкіндік берді. Әрбір доменда жоғарыжылдамдықты байланыстар арасы, кірістірілген процессор, сигналдардың жоғары эффективті өңделуі сияқты жалпы ресурстарды бөлетін қосымшалар жиыны бар (1.1-сурет).

1.1-сурет. Қолданудың әртүрлі облыстарына арналған платформалардың әртүрлілігі

Қолданушы функционалды мүмкіндіктерінің оптималды үйлесімі және кристалда мамандандырылған жүйені жасауға арналған параметрлері бар платформаны таңдауы мүмкін. ASMBL^TM архитектурасы аударылған кристалл (flip-chip) әдісімен монтаж технологиясының жүзеге асырылуына және кристалдардың дәстүрлі жобалауының ерекшеліктерімен байланысқан шектеулерді жоюға мүмкіндік береді. Сонымен қоса архитектура қорек көзінің тізбегіне және кристалдағы жерге тұйықталуға берілген аса қатты шектеулерді жоюға мүмкіндік береді. Жобаның жасалу уақыты, оның бағасы айтарлықтай азаяды және FPGA сенімділігі артады.

LXT және SXT екі тек бөліктері әртүрлі логикалық сыйымдылығы бар 9 кристалды құрайды. LXT тез әрекет етуші логикалық операцияларды орындау үшін және жоғарыжылдамдықты тізбектес интерфейстердің жүзеге асырылуы үшін тиімді етілген. SXT кристалдары ең алдымен сигналдардың сандық өңделуінің тез әрекет етуші операцияларын орындауға бағытталған. Логикалық ұяшықтардың жоғары өнімділігі FPGA тегінің қабатталған триггерімен толықтырылған алтыкірісті LUT кестелерін қолданумен қамтамасыз етіледі. Virtex-6 жүйелік деңгейдегі аяқталған шешімдерді құруға мүмкіндік беретін кірістірілген блоктардың (аппаратты IP-ядролар)кең спектрін құрайды. Block RAM – 36 кбит сыйымдылықты жад блогын 18 кбиттен екі блок бойынша бөлуге болады. Ол сонымен қоса, FIFO сияқты жұмыс жасайды және қателіктерді анықтау мен түзетуге арналған кірістірілген ресурстары болады.

Сигналдардың сандық өңделу блогының үшінші ұрпағы DSP48A1 25x18 көбейткіштерден, 48-биттік аккумулятордан, алдын ала сумматордан және конвейеризацияға арналған регисторлардан тұрады. Блок 600 МГц-ке дейінгі жиілікте жұмыс жасауы мүмкін. Кристалл импеданстың сандық тексеруі бар SelectIO^TM технологиясын қолданады және оған қоса басқару блогы мен MMCMT синхронизациясының сигналдар синтезі бар. System Monitor қорек көзінің кернеу бойынша, кристалл ішіндегі және микросхемалардың сыртындағы температура сипаттамаларын алудың функцияларын орындауға бағытталған. Кристалда сонымен қосаGTX – 6,5 Гбит/с қабылдағышты-таратқыштар, 8-lane Gen1 (2,5 Гбит/с) және 4-lane Gen2 (5,0 Гбит/с) қолдайтын PCI Express модулі, TEMAC – 10/100/1000 Мбит/с Ethernet контроллері бар. Ядроның қорек көзінің кернеуі 1В (0,9 В – үнемді режим).

Келтірілген құралдар FPGA негізінде жүзеге асырылған сандық жүйелерде өнімділіктің және функционалдылықтың ең жоғары деңгейіне жетуге мүмкіндік береді. 40-нм КМОП технологиясы жасалған Virtex-6 тегінің FPGA кристалдары ASIC технологиясының реалды баламасы болып табылады. Virtex-6 FPGA жоғарыөнімділікті логика, кристалдағы сандық жүйеде сигналдардың сандық өңделуінің мүмкіндіктерін қосатын ең жақсы шешім болып табылады. Virtex-6 тегінің кристалдарының жеке сипаттамалары 1.2 кестеде келтірілген.

Altera компаниясының FPGA Stratix IV тегі [2] 40-нм технологиясымен жасалған және өзінің мүмкіндіктері бойынша бар аналогтардан асып түседі. Кристалдар логикалық элементтердің тығыздығымен, қабылдағышты таратқыштың ең көп санымен, энергияны ең аз тұтынумен (FPGA ұқсас құрылғыларға қарағанда 50%-ға кем, бағдарламаланатын энергия тұтыну технологиясын пайдаланудың арқасында- Programmble Power Technology) сипатталады. FPGA Stratix IV жоғары өнімділікті талап ететін сымсыз және DSP қосымшалардың жүзеге асырылуына арналған. Stratix IV тегінің құрамына әртүрлі функцияларды орындауға тиімді етілген 3 тек бөліктері кіреді: Stratix IV GX – мәліметті қабылдауға және таратуға бағытталған, 531 200 дейін логикалық элементтері, мәліметтердің синхронды қалыпқа келтіруі (clock data recovery, CDR) технологиясы негізінде қызмет ететін және тарату жылдамдығын 8,5 Гбит/с дейін қамтамасыз ететін 48-ге дейін толық дуплексті қабылдағыш таратқыштары бар; Stratix IV E (Enhanced) – жад интерфейстері, 681 100 дейін логикалық элементтері, 27 376 Кбит-ке дейін RAM кіріктірілген жады және 1024 дейін 18х18 бит кіріктірілген көбейткіштері бар; Stratix IV GT – жылдам түрде мәліметті қабылдап-таратуға тиімді етілген, 531 200 дейін логикалық элементтері, 27 376 Кбит-ке дейін RAM, 122 дейін 18х18 бит кіріктірілген көбейткіштері бар (1.3 кесте). Тізбектес қабылдағыш таратқыштар мәліметтерді тарату жылдамдығын 2,488-ден 10,3125 Гбит/с –ке дейін қолдайды. Stratix IV GT құрылғыларын сәйкесінше 48 (36) толық дуплексті CDR қабылдағыш таратқыштары бар, оның 24 (12) 10,3125 Гбит/с жылдамдықты қолдайтын, кірісіндегі/шығысындағы мәліметтерді тарату жылдамдығы бойынша – 100/40 Гбит/с екі топқа бөлуге болады. Кристалл габариттері 35-тен 43 мм шамасында болады.

1.2 кесте. Virtex-6 тегінің кристалдарының сипаттамалары

1.3 кесте. Stratix IV тегінің кристалдарының сипаттамалары