Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, tel ( ) Ricevimento –Lab ARCES-LYRAS, Forlì, Via Seganti 103 (5 Min a piedi dalla facolta di Ingegneria di Forlì, hangar aeroporto) Su appuntamento –II Facoltà Ing., Cesena Giovedì 14-15, prima della lezione (nella sede dove ci sarà lezione: via Rasi/LELE) (ma In genere prima e dopo le lezioni) –Concordare direttamente altri momenti

Elettronica dei Sistemi Digitali Struttura del Corso Il corso sarà strutturato in due parti, indipendenti tra loro: 1.una parte di teoria (aritmetica computazionale, sistemi e architetture digitali, protocolli di comunicazione, memorie) 2.progettazione di reti digitali su dispositivi FPGA tramite il linguaggio di descrizione hardware VHDL

Elettronica dei Sistemi Digitali Parte 1 Corso di Teoria da svolgersi in aula. Verranno fornite dispense sulle lezioni svolte sul sito del corso. Testi di consultazione, reperibili in biblioteca: J.Rabaey, A.Chandrakasan, B.Nikolic: Digital Integrated Circuits: A design perspective/Circuti integrati digitali: lottica del progettista 2 nd /3 rd Edition, Prentice Hall 2003 Slides delle lezioni del prof.Rabaey (UC Berkeley), dal sito del testo. P.Spirito, Elettronica Digitale, 2ed., McGraw-Hill J. Hennessy, D. Patterson: Computer Architecture. A Quantitative Approach Morgan Kaufmann Publishers, 1990

Elettronica dei Sistemi Digitali Parte 2 Esercitazioni da svolgersi nel laboratorio didattico di Via Venezia (tipicamente, giovedì pomeriggio, ma non la prima settimana di corso!!) Le esercitazioni verteranno sul progetto di circuiti digitali su FPGA Altera e sulla realizzazione di semplici circuiti con microcontrollori Microchip PIC Sul sito del corso appariranno esercizi svolti e soluzioni. Il software per le esercitazioni e gratuito, e puo essere installato seguendo le istruzioni sul sito Testo di riferimento: Richard Geissler, Slavek Bulach VHDL Manual (online Università di Ulm, sito web del corso)

Elettronica dei Sistemi Digitali Forma dellEsame Prova scritta di Teoria (~2 h), nessun appunto/dispensa/libro concesso –In genere 4 domande aperte sulle parti del corso. Prova pratica di progetto in laboratorio (2h), ogni tipo di documentazione e permesso (no calcolatori portatili, no mezzi di comunicazione) Le prove sono indipendenti, possono essere svolte lo stesso appello o separatamente (solitamente le prove si svolgono lo stesso giorno) Il voto finale e la media aritmetica dei due risultati

Elettronica dei Sistemi Digitali Appelli di Esame Ancora da stabilire. Probabilmente: Immediatamente dopo la fine delle lezioni Prima dellinizio dellultimo ciclo di lezioni Altri due appelli a Giugno, Luglio Liste su Uniwex, Risultati sul sito del corso Da Settembre, appelli personalizzati su richiesta dello studente ogni 3,4 settimane, compatibilmente con il numero di persone.

Elettronica dei Sistemi Digitali L-A Università di Bologna, sede di Cesena A.a F.Campi

Elettronica dei Sistemi Digitali Sistemi Elettronici Digitali SISTEMA DIGITALE = Sistema che trasmette e/o mantiene informazione sotto forma di grandezza elettrica DISCRETA (rappresentata attraverso un valore FINITO) In pratica, I sistemi digitali utilizzano come unita di memorizzazione e comunicazione il BIT LOGICO (1,0)

Elettronica dei Sistemi Digitali Sistemi Digitali ALGORITMO X(t) Y(t) (stato) Applicazioni: Controllo di Sistemi/Processi fisici Controllo di Sistemi/Processi fisici Elaborazione dei segnali Digitali (DSP Digital Signal Processing) Elaborazione dei segnali Digitali (DSP Digital Signal Processing)

Elettronica dei Sistemi Digitali Architetture Digitali di Calcolo ALGORITMO X(t) Y(t) ASIC ArchitettureProgrammabili ( P, DSP, MCU)FPGA

Elettronica dei Sistemi Digitali The First Computer

Elettronica dei Sistemi Digitali ENIAC - The first electronic computer (1946)

Elettronica dei Sistemi Digitali The Transistor Revolution First transistor Bell Labs, 1948

Elettronica dei Sistemi Digitali The First Integrated Circuits Bipolar logic 1960s ECL 3-input Gate Motorola 1966

Elettronica dei Sistemi Digitali Intel 4004 Micro-Processor transistors <1 MHz operation

Elettronica dei Sistemi Digitali Intel Pentium 4 Microprocessor million transistors >1.5 GHz

Elettronica dei Sistemi Digitali Moores Law lIn 1965, Gordon Moore (Intel) noted that the number of transistors on a chip doubled every 18 to 24 months. lHe made a prediction that semiconductor technology will double its effectiveness every 18 months

Elettronica dei Sistemi Digitali Moores Law Electronics, April 19, 1965.

Elettronica dei Sistemi Digitali Transistor Counts 1,000, ,000 10,000 1, i386 i486 Pentium ® Pentium ® Pro K 1 Billion Transistors Source: Intel Projected Pentium ® II Pentium ® III Courtesy, Intel

Elettronica dei Sistemi Digitali Die Size Growth Pentium ® proc P Year Die size (mm) ~7% growth per year ~2X growth in 10 years Die size grows by 14% to satisfy Moores Law Courtesy, Intel

Elettronica dei Sistemi Digitali Frequency P6 Pentium ® proc Year Frequency (Mhz) Doubles every 2 years Courtesy, Intel

Elettronica dei Sistemi Digitali Power Dissipation P6 Pentium ® proc Year Power (Watts) Lead Microprocessors power continues to increase Courtesy, Intel

Elettronica dei Sistemi Digitali Not Only Microprocessors Digital Cellular Market (Phones Shipped) Units 48M 86M 162M 260M 435M Analog Baseband Digital Baseband (DSP + MCU ) Power Management Small Signal RF Power RF (data from Texas Instruments) Cell Phone

Elettronica dei Sistemi Digitali A short list of embedded systems And the list goes on and on Anti-lock brakes Auto-focus cameras Automatic teller machines Automatic toll systems Automatic transmission Avionic systems Battery chargers Camcorders Cell phones Cell-phone base stations Cordless phones Cruise control Curbside check-in systems Digital cameras Disk drives Electronic card readers Electronic instruments Electronic toys/games Factory control Fax machines Fingerprint identifiers Home security systems Life-support systems Medical testing systems Modems MPEG decoders Network cards Network switches/routers On-board navigation Pagers Photocopiers Point-of-sale systems Portable video games Printers Satellite phones Scanners Smart ovens/dishwashers Speech recognizers Stereo systems Teleconferencing systems Televisions Temperature controllers Theft tracking systems TV set-top boxes VCRs, DVD players Video game consoles Video phones Washers and dryers

25 Challenges in Digital Design Microscopic Problems Ultra-high speed design Interconnect Noise, Crosstalk Reliability, Manufacturability Power Dissipation Clock distribution. Everything Looks a Little Different Macroscopic Issues Time-to-Market Millions of Gates High-Level Abstractions Reuse & IP: Portability Predictability etc. …and Theres a Lot of Them! ?

Elettronica dei Sistemi Digitali Productivity Trends ,000 10, ,000 1,000,000 10,000, ,000 10, ,000 1,000,000 10,000, ,000,000 Logic Tr./Chip Tr./Staff Month. x x x x x x x 21%/Yr. compound Productivity growth rate x 58%/Yr. compounded Complexity growth rate 10,000 1, Logic Transistor per Chip (M) ,000 10, ,000 Productivity (K) Trans./Staff - Mo. Source: Sematech Complexity outpaces design productivity Complexity Courtesy, ITRS Roadmap

Elettronica dei Sistemi Digitali Why Scaling? Technology shrinks by 0.7/generation With every generation can integrate 2x more functions per chip; chip cost does not increase significantly Cost of a function decreases by 2x But … –How to design chips with more and more functions? –Design engineering population does not double every two years… Hence, a need for more efficient design methods –Exploit different levels of abstraction

Elettronica dei Sistemi Digitali Design Abstraction Levels n+ S G D + DEVICE CIRCUIT GATE MODULE CHIP BOARD SYSTEM

Elettronica dei Sistemi Digitali Design Metrics How to evaluate performance of a digital circuit (gate, block, …)? –Cost –Reliability –Scalability –Speed (delay, operating frequency) –Power dissipation –Energy to perform a function

Elettronica dei Sistemi Digitali Cost of Integrated Circuits NRE (non-recurrent engineering) costs –one-time cost factor –design time and effort, mask generation Recurrent costs –proportional to volume –proportional to chip area –silicon processing, packaging, test

Elettronica dei Sistemi Digitali Design challenge – optimizing design metrics Common metrics –Unit cost: the monetary cost of manufacturing each copy of the system, excluding NRE cost –NRE cost (Non-Recurring Engineering cost): The one-time monetary cost of designing the system –Size: the physical space required by the system –Performance: the execution time or throughput of the system –Power: the amount of power consumed by the system –Flexibility: the ability to change the functionality of the system without incurring heavy NRE cost

Elettronica dei Sistemi Digitali Design challenge – optimizing design metrics Common metrics (continued) –Time-to-prototype: the time needed to build a working version of the system –Time-to-market: the time required to develop a system to the point that it can be released and sold to customers –Maintainability: the ability to modify the system after its initial release –Correctness, safety, many more

Elettronica dei Sistemi Digitali NRE Cost is Increasing

Elettronica dei Sistemi Digitali Die Cost Single die Wafer From Going up to 12 (30cm)

Elettronica dei Sistemi Digitali Yield Defects

Elettronica dei Sistemi Digitali Fan-in and Fan-out N Fan-out N Fan-in M M

Elettronica dei Sistemi Digitali Delay Definitions

Elettronica dei Sistemi Digitali Ring Oscillator T = 2 t p N

Elettronica dei Sistemi Digitali A First-Order RC Network v out v in C R t p = ln (2) = 0.69 RC Important model – matches delay of inverter

Elettronica dei Sistemi Digitali Power Dissipation Instantaneous power: p(t) = v(t)i(t) = V supply i(t) Peak power: P peak = V supply i peak Average power:

Elettronica dei Sistemi Digitali Energy and Energy-Delay Power-Delay Product (PDP) = E = Energy per operation = P av t p Energy-Delay Product (EDP) = quality metric of gate = E t p

Elettronica dei Sistemi Digitali Dynamic Power v out CLCL

Elettronica dei Sistemi Digitali Flow Graph Computazione nello SPAZIO (ASIC) Computazione nel TEMPO (Microprocessori)

Elettronica dei Sistemi Digitali Flow Graph Computazione nello SPAZIO attraverso blocchi PROGRAMMABILI (FPGA)

Elettronica dei Sistemi Digitali Architetture per elaborazione dati Architetture Programmabili(Microprocessori) Computazione nel tempo Inefficienza Elevato consumo di potenza lw $2,a lw $3,b addu $2,$2,$3 mul $2,$2,$2 lw $4,c lw $5,d lw $31,16($sp) addu $4,$4,$5 sll $3,$4,1 addu $3,$3,$4 lw $5,e subu $2,$2,$3 addu $2,$2,$5 sw $2,res

Elettronica dei Sistemi Digitali Architetture per elaborazione dati ASICs Computazione nello spazio Notevole sforzo di progetti, Alti NRE costs Bassa riusabilita, breve tempo di vita

Elettronica dei Sistemi Digitali Architetture per elaborazione dati FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) Elaborazione nello spazio Programmazione VHDL, non familiare a sviluppatori in ambiente C/Matlab

Elettronica dei Sistemi Digitali Architetture per Elaborazione Dati