СХЕМИ, СИСТЕМИ, ТЕХНОЛОГИЯ

Основното при този подход е абстракцията – въвеждат се нива на абстракция и се работи с абстрактни модели. Във всяко ниво реалните елементи (схеми, модули и т.н) се заместват от модели – тип ''черна кутия''. Тези модели се абстрахират от многобройните вътрешни детайли, но съдържат информацията, необходима за работа на съседното по – високо иерархично ниво². В нарастващ порядък на абстракция нивата са:

♦ схемно – съдържа основните транзисторни схеми. Тяхното поведение се описва с предавателни характеристики и времеви параметри на сигналите;

♦♦ логическо – в него са базовите логически елементи (gates), описвани поведенчески чрез булеви уравнения и закъснения;

♦♦♦ функционално – съдържа модули (устройства)

като регистри, аритметични, логически, запомнящи

и др. възли, представени с входно/изходните регистри, операциите извършвани в тях и закъсненията на сигналите. Tова ниво е удобно при нов проект, тъй като той може лесно да се опише и симулира само чрез обмен между регистрите, поради което се означава като RTL (Register Transfer Level);

♦♦♦♦ системно – най – високото ниво на абстракция – за описание на сложни системи (типичен пример е процесорът), чието поведение се задава алгоритмично. .

Описаните особености на този подход улесниха създаването на т.нар. развойни системи или системи за автоматизирано проектиране, популярни със съкращението CAD (Computer Aided Design) systems. В тях са включени средства за синтез и симулация на всяко ниво, за верификация на проекта или негови части, за разполагане и опроводяване, за документиране и др.

В началото на цялостната разработка на една интегрална схема или система. наред с функцията и/или поведението на бъдещото изделие, се задават базовите параметри (изисквания, ограничения) и се определят връзките и зависимостите между тях. За целта се използват количествени оценки, т. нар. метрики (metrics) [Rabaey03] на качествата на схемите, т.е. на параметрите им. След това започва процеса на проектиране ''отгоре – надолу''.

Ще се спрем накратко на няколко от най – съществените общоприети метрики за цифрови схеми и системи. Консумираната мощност е енергията, консумирана (разсейвана) от схемата за единица време. Консумацията определя мощността на захранващите източници, времето на живот на батериите, размерите на захранващите шини. От друга страна подадената към схемата енергия се превръща в топлина, която трябва да се отведе и разсее чрез корпуса и охлаждащата система. А това е свързано с цената и надеждността. В компютърните системи максималната разсейвана мощност ограничава броя на елементарните схеми (gates) върху чипа, както и бързодействието (броя на превключванията, съответно – на операциите – за единица време).

Средната консумирана (разсейвана)мощност се определя като

P_ср = V_захр .i_захр(t)dt = i_захр(t)dt ,

където i_захр е токът от захранващото напрежение V_захр през интервала

t є [0,T ]. При оразмеряване на захранващите шини от значение е максималната моментна мощност

P_max = max [V_захр .i_захр(t)] = V_захр .i_max

където i_max е максималната стойност на тока i_захр през разглеждания времеви интервал.

Разсейваната мощност е сума от две съставящи: ♦ статична – в покой, когато няма превключвания. Дължи се на постоянно протичащ ток от захранване към маса и на утечен ток; ♦♦ динамична – при превключване. Определя се от процесите на зареждане и разреждане на капацитетите, както и на краткотрайно протичащ ток от захранване към маса.

Закъснението на сигнала¹ при преминаване (разпространение) през схемата, т.нар. propagation delay, зависи от скоростта с която енергията се подава към схемата и се извежда от нея. Ето защо произведението мощност x закъснение (power-delay product) е мярка за качеството на превключващите схеми и системи. Всъщност то е равно на енергията консумирана при превключване. За фиксирана технология и схемна конфигурация това произведение е постоянна величина.

Обикновено преди започване на проектирането произведението мощност x закъснение е зададено (фиг. 4.2) Стремежът е в края на проектирането неговата стойност да бъде минимизирана. Тя, обаче, е свързана с размерите на интегралната схема, а те – с производствените разходи (чрез т.нар. ''процент годни схеми''). От друга страна и четирите основни параметъра – скорост, мощност, шумозащитеност, площ (фиг. 4.2) – влияят върху времето и разходите за проектиране. А проектирането и производството в крайна сметка определят цената.

При аналоговите схеми и системи параметрите са повече, а зависимостите между тях – по–сложни. Например в [Razavi98a] те са осем (мощност, скорост, шумове, линейност, усилване, амплитуда, захранващо напрежение, входно/изходен импеданс), а почти между всеки два съществуват взаимни връзки

Поради броя на базовите параметри и сложните взаимни зависимости между тях, разработването на интегрални схеми по същество е процес на многопараметрична оптимизация, процес с многобройни итерации и компромиси (trade – offs) с оглед проектирането им за съответните приложения. Например при сървърите най – голямо значение има бързодействието, при преносимите (мобилните) устройства – консумацията и т.н. А надеждността и цената, макар и с различна значимост или ”тежест”, са общи изисквания към всички крайни изделия.