1 Diseño VLSI Caracterización de circuitos MOS Enric Pastor Dept. Arquitectura de Computadors UPC.

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1 1 Diseño VLSI Caracterización de circuitos MOS Enric Pastor Dept. Arquitectura de Computadors UPC

2 2 Caracterización modular l No es posible analizar un circuito con miles de transistores mirando individualmente cada uno de ellos. l Estrategia de análisis modular (igual que el diseño modular). l Agrupar el comportamiento de transistores en puertas, el comportamiento de las puertas en bloques y así sucesivamente. l Claves para el análisis en un circuito MOS: –El comportamiento interno es independiente del circuito que genera las entradas (en condiciones razonables). –Parámetros en la interficie: capacidad de las entradas/salidas e impedancia en la salida. –Las puertas de paso son un caso aparte.

3 3 Caracterización modular l Elementos en la caracterización de un m ó dulo: –Función lógica. –Capacidad de las entradas (~ puertas de transistores). –Capacidad de las salidas. –Impedancia de las salidas. –Tiempos de propagación internos. l Los parámetros de capacidad e impedancia son fijos. l Los tiempos de propagación internos varían con los datos y el tipo de operación: –Caracterizar el tiempo mayor/menor. –Crear caracterizaciones por funcionalidad, tipos de datos, análisis estadístico de las operaciones, etc.

4 4 Retardo de un puerta MOS l Retardo depende de la relación R C: Out In Out In C R

5 5 Retardo de un puerta MOS l La capacidad C depende de: –Capacidad de las difusiones en el nodo de salida. –Capacidad de las conexiones. –Capacidad de las puertas conectadas al nodo de salida. In Out

6 6 Retardo de un puerta MOS l La resistencia R depende de: –Dimension de los transistores que realizan la carga / descarga de la capacidad en la salida (~ L/W). –Transistores en serie aumentan la resistencia: L 1 /W 1 L 2 /W 2 R ~ L 1 /W 1 + L 2 /W 2 –Transistores en paralelo la reducen: L 1 /W 1 L 2 /W 2 R ~1 / ( 1/(L 1 /W 1 ) + 1/(L 2 /W 2 ) )

7 7 Retardo de un puerta MOS l Definimos FO1 como el retardo de un inversor atacando otro inversor equivalente: –FO2 equivale a conectar dos inversores, etc. FO1 FO2

8 8 Elementos en la caracterización l Visión general de un m ó dulo: –Capacidad de las entradas: C I –Capacidad de las salidas:C O –Impedancia de las salidas. Tiempo de propagación proporcional a la carga: T pf –Tiempos de propagación internos:T p C C C C TpTp T pf C C C C R R R

9 9 Ejemplo: caracterización puerta NAND l Parámetros en una puerta combinacional: NAND2 –Capacidad de las entradas: C I-A C I-B 40 fF –Capacidad de las salidas: C O-Y 25 fF –Tiempos de propagación: Proporcionales a la carga: T pf Y 0.02 ns/fF Internos: T p Y 1 ns CACA CBCB CYCY C load Delay C load TpTp T pf

10 10 Ejemplo: caracterización inversor l Parámetros en una puerta combinacional: INV –Capacidad de la entrada: C I-A 30 fF –Capacidad de la salida: C O-Y 25 fF –Tiempos de propagación: Proporcionales a la carga: T pf Y 0.01 ns/F Internos: T p Y 0.8 ns CACA CYCY C load Delay C load TpTp T pf

11 11 Ejemplo: caracterización MUX l Podemos caracterizar un multiplexor utilizado los parámetros disponibles para la puerta NAND y el inversor: –Simplicidad: utilizamos/generamos los mismos parámetros. –Análisis conservador: se produce un cierto “error”. A B S Y A B Y S

12 12 Caracterización de las capacidades l Capacidades: –C A = C I-NAND = 40fFC B = C I-NAND = 40fF –C S = C I-NAND + C I-NOT = 70fF C Y = C O-NAND = 25fF A B S Y A B Y S

13 13 Caracterización del T pf l Tiempos de propagación proporcionales a la carga: –T pf Y = T pf NAND = 0.02ns/fF –Separando carga/descarga: T pf Y+ = T pf NAND+ T pf Y- = T pf NAND- A B S Y A B Y S

14 14 Caracterización del Tp crítico l Tiempos de propagación internos: –Depende del camino crítico: camino más lento desde una entrada hacia cada salida del circuito. –Debe demostrarse su existencia: existen “caminos críticos falsos”. A B S Y A B Y S 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1

15 15 Caracterización del Tp crítico (cont.) l Cálculo del tiempo de propagación máximo: –T p Y = T p INV + T pf INV C I-NAND1 + T p NAND1 + T pf NAND1 C I-NAND2 + T p NAND2 A B S Y A B Y S 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 NAND1 NAND2 INV

16 16 Caracterización del Tp mínimo l Cálculo del tiempo de propagación mínimo: –T p Y = T p NAND1 + T pf NAND1 C I-NAND2 + T p NAND2 A B S Y A B Y S 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 NAND1 NAND2 INV

17 17 Buffers para mejorar el rendimiento l La velocidad de un componente depende de su tiempo de cálculo, pero también de su conexión. l Podemos mejorar el rendimiento sacrificando el T p para conseguir un T pf más reducido. C load Delay TpTp T pf Mejor buffer

18 18 Conclusiones l La tecnología MOS permite un análisis modular. l Podemos caracterizar un sistema utilizando un subconjunto de sus parámetros de funcionamiento. l Los tiempos de propagación T pf solo dependen de los transistores que generan las salidas. l Buffers en las salidas aumentan el T p, pero reducirán el T pf. l Existe un máximo y mínimo, pero no siempre es el parámetro que necesitamos, e.g. en un sumador RCA: –T p máximo es proporcional al número de bits. –En promedio solo 4-5 bits propagan acarreo.