Hoofdstuk 4 Het belang van interconnecties Prof. dr. ir. Dirk Stroobandt Academiejaar
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Inhoud (deel 2) Het belang van interconnecties Het belang van ingebed geheugen Het voorspellen van prestaties Architecturen voor complexe systemen –Processorarchitecturen –Herconfigureerbare hardware –Hergebruik van IP-kernen Interfaces en interface-ontwerp
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Waarom zijn interconnecties belangrijk? RC-tijdsvertraging –Tijdsvertraging in metaalverbindingen is evenredig met de weerstand en de capaciteit: ~ RC
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Waarom zijn interconnecties belangrijk? RC-tijdsvertraging –Tijdsvertraging in metaalverbindingen is evenredig met de weerstand en de capaciteit: ~ RC –R ~ r L en C ~ c L (r en c intrinsieke waarden) –Hoe langer de draden, hoe groter de tijdsvertraging: ~ L 2 ! –Typische waarde: Al, 130nm proces, 20mm: 10 ns Dit is 1 klokperiode van 100 MHz ! Vroeger: poortvertraging domineerde Nu: interconnectievertraging domineert Techn. pp i (1 mm) 1 m 20 ps1 ps 100 nm5 ps30 ps 35 nm2,5 ps250 ps
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Tijdsvertraging in verbindingen domineert Gate delayInterconnect delay (Al & SiO 2 ) Interconnect delay (Cu & Low k) Delay (ps) Generation (nm)
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Effecten van schaling Lokale verbindingen schalen mee, globale niet
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Effecten van schaling Lokale verbindingen schalen mee, globale niet, zelfs niet met buffers Figuur: Dennis Sylvester
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Effecten van schaling Schalingsfactor s = 0,7 r neemt toe door het schalen van de breedte en hoogte van verbindingen –Leidt tot hogere spanningsval –Leidt tot hogere tijdsvertraging c neemt toe doordat verbindingen dichter bij elkaar liggen –Leidt tot meer overspraak –Leidt tot hogere tijdsvertraging
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Effecten van schaling op betrouwbaarheid Elektromigratie –Grote stromen rukken ionen los van metaalbanen en voeren die mee –Resultaat: open ketens en uitstulpingen –Vermindert sterk de levensduur van een IC –Beperken van de stromen door verbindingen –Bredere metaallagen
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: meerlaagstructuur Meer interconnectielagen –Aantal verbindingen stijgt ~ G –Gemiddelde lengte L stijgt ~ Techn.#lagen 1 m nm nm10
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: meerlaagstructuur Lagen in verschillende “tiers”
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: meerlaagstructuur Berekeningen meerlagen- structuur nodig Wirelength (mm) Delay (ps) Wire width ( m) Number of repeaters Tier type 2 Tier type 1 Tier type 0
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: meerlaagstructuur Uniforme en niet-uniforme lagen Tier 2 Tier 1 Tier Number of layers per tier type Total
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: meerlaagstructuur Impact van vias: verschillende mogelijkheden: –Sai-Halasz (1995): elke laag blokkeert 15% van de lagen eronder (afhankelijk van de interconnectieafstanden) –Chong (1999): verlies aan oppervlakte is gelijk aan de oppervlakte nodig voor alle vias door de laag (2 per draad) –Chen (1999): 2 modellen Sparse vias: oppervlakte nodig voor vias (zoals bij Chong) Dense vias: voor elke X kanalen moet er 1 opgegeven worden voor vias, met voor X:
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: meerlaagstructuur Vergelijking: –Stroobandt (2000): kans dat een verbinding geblokkeerd wordt door een via is monotoon stijgend met het aantal kanaalkruisingen en het totale aantal vias (via fill rate f) Sai-Halasz Chong Chen Experiment M4 M3 M2 M Utilisation factor (%) Via fill rate f (%)
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: meerlaagstructuur Eenvoudig model geeft overschatting maar houdt beter rekening met de lengte van de verbindingen: Stroobandt Chong Chen Experiment M4 M Utilisation factor (%) Via fill rate f (%) M3 M4
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: vermogendistributie Verbindingen moeten vooral veel stroom kunnen leveren Vermijden van vermogenpieken door grid met brede verbindingen of zelfs vermogenlagen Vermogenpads op bovenkant van de chip (area-I/O)
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie Snelle overgangen en vooral tegelijk (skew) Skew –Ruimtelijke variatie van het kloksignaal door distributie over chip –Globale vs. lokale skew Clock jitter –Temporele variatie van het kloksignaal t.o.v. een referentie-overgang –Lange-termijn vs. cyclus- cyclus-jitter Duty cycle-variatie –50/50 ontwerpdoel
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie Trend in klok-skew
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie Blijft ongeveer 5% van klokperiode
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie Oorzaken van klok-skew
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie Trend klok-jitter
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: klokdistributie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: inductantie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Andere invloeden: overspraak Grotere capacitieve koppeling tussen verbindingen Goed terugkeerpad is belangrijk om invloed lokaal te houden terugkeerpad slachtoffer dicht ver
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerpruimte globale verbindingen Beperkt door overspraak, bandbreedte en ruimte
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerpruimte globale verbindingen Evolutie: het wordt steeds moeilijker
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen Verminderen van r en c –Cu i.p.v. Al (IBM 1997, verre van triviale procesverandering) Al sheet resistance: 3 cm Cu sheet resistance: 1,8 cm Effectieve sheet resistance door barrier: 2,2 cm –Lagere r voor oxide (vroeger tussen 3 en 4, nu rond de 2,2 – 2,7)
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen Verminderen van r en c –Verbindingen schalen minder agressief –Verbindingen schalen niet in hoogte
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen Invoeren van buffers (~ L 2 wordt ~ L) Shielding verbinding shield
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen: 3-D
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen: 3-D Probleem: warmteverwijdering Warmtegeleidingsvias nodig
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen: optische verbindingen Optische verbindingen komen steeds dichter bij chipniveau –Vroeger: Bord-naar-bord –Nu: Chip-naar-chip
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen: optische verbindingen Optische verbindingen komen steeds dichter bij chipniveau –Toekomst: globale verbindingen op chip Voorbeeld: optische klokboom
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen: optische verbindingen Om competitief te zijn moeten optische verbindingen volgende zaken bieden –Laag vermogen –Hoge snelheid –Kleine grootte –Lage-kost fotonische zenders en detectoren –Optische geleiders compatiebel met CMOS-technologie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Oplossingen: soldeerpads Ook verbeteringen nodig voor verbindingen van en naar de chip Van wire bonding naar solder bumps Nieuw: sea-of-leads