1 / 39

Hoofdstuk 4 Het belang van interconnecties

Hoofdstuk 4 Het belang van interconnecties. Prof. dr. ir. Dirk Stroobandt Academiejaar 2004-2005. Inhoud (deel 2). Het belang van interconnecties Het belang van ingebed geheugen Het voorspellen van prestaties Architecturen voor complexe systemen Processorarchitecturen

kita
Download Presentation

Hoofdstuk 4 Het belang van interconnecties

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Hoofdstuk 4Het belang van interconnecties Prof. dr. ir. Dirk Stroobandt Academiejaar 2004-2005

  2. 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

  3. Waarom zijn interconnecties belangrijk? • RC-tijdsvertraging • Tijdsvertraging in metaalverbindingen is evenredig met de weerstand en de capaciteit: t ~ RC Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  4. Waarom zijn interconnecties belangrijk? • RC-tijdsvertraging • Tijdsvertraging in metaalverbindingen is evenredig met de weerstand en de capaciteit: t ~ RC • R ~ r L en C ~ c L (r en c intrinsieke waarden) • Hoe langer de draden, hoe groter de tijdsvertraging: t ~ L2! • Typische waarde: Al, 130nm proces, 20mm: 10 ns • Dit is 1 klokperiode van 100 MHz ! • Vroeger: poortvertraging domineerde • Nu: interconnectievertraging domineert Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  5. Tijdsvertraging in verbindingen domineert 45 40 35 30 25 Delay (ps) 20 15 10 5 0 650 500 350 250 180 130 100 Generation (nm) Interconnect delay (Cu & Low k) Gate delay Interconnect delay (Al & SiO2) Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  6. Effecten van schaling • Lokale verbindingen schalen mee, globale niet Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  7. Effecten van schaling • Lokale verbindingen schalen mee, globale niet, zelfs niet met buffers Figuur: Dennis Sylvester Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  8. 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

  9. 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

  10. Andere invloeden: meerlaagstructuur • Meer interconnectielagen • Aantal verbindingen stijgt ~ G • Gemiddelde lengte L stijgt ~ Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  11. Andere invloeden: meerlaagstructuur • Lagen in verschillende “tiers” Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  12. Andere invloeden: meerlaagstructuur Wire width (mm) Delay (ps) Number of repeaters 0 2 0 2 4 0 2 4 Tier type 2 Tier type 1 Tier type 0 Wirelength (mm) • Berekeningen meerlagen- structuur nodig Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  13. Andere invloeden: meerlaagstructuur Tier 2 Tier 1 Tier 0 10 Number of layers per tier type 10 9 9 8 8.0251 8 7.1053 7 7 6.3134 6 6 5 Total 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 • Uniforme en niet-uniforme lagen Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  14. 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

  15. Andere invloeden: meerlaagstructuur M4 70 M3 M3 60 M4 Sai-Halasz M2 Utilisation factor (%) Chong 50 Chen M1 40 Experiment 30 0 1 2 3 4 5 6 Via fill rate f (%) • 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) Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  16. Andere invloeden: meerlaagstructuur 80 70 60 Chong 50 Chen 40 Utilisation factor (%) Experiment M3 30 Stroobandt 20 M4 10 M4 M3 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Via fill rate f (%) • Eenvoudig model geeft overschatting maar houdt beter rekening met de lengte van de verbindingen: Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  17. 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

  18. 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

  19. Andere invloeden: klokdistributie • Trend in klok-skew Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  20. Andere invloeden: klokdistributie • Blijft ongeveer 5% van klokperiode Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  21. Andere invloeden: klokdistributie • Oorzaken van klok-skew Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  22. Andere invloeden: klokdistributie • Trend klok-jitter Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  23. Andere invloeden: klokdistributie Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  24. Andere invloeden: klokdistributie Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  25. Andere invloeden: klokdistributie Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  26. Andere invloeden: klokdistributie Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  27. Andere invloeden: inductantie Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  28. Andere invloeden: overspraak dicht dicht ver slachtoffer ver terugkeerpad • Grotere capacitieve koppeling tussen verbindingen • Goed terugkeerpad is belangrijk om invloed lokaal te houden Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  29. Ontwerpruimte globale verbindingen • Beperkt door overspraak, bandbreedte en ruimte Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  30. Ontwerpruimte globale verbindingen • Evolutie: het wordt steeds moeilijker Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  31. Oplossingen • Verminderen van r en c • Cu i.p.v. Al (IBM 1997, verre van triviale procesverandering) • Al sheet resistance: 3 mWcm • Cu sheet resistance: 1,8 mWcm • Effectieve sheet resistance door barrier: 2,2 mWcm • Lagere er voor oxide (vroeger tussen 3 en 4, nu rond de 2,2 – 2,7) Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  32. Oplossingen • Verminderen van r en c • Verbindingen schalen minder agressief • Verbindingen schalen niet in hoogte Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  33. Oplossingen shield shield verbinding • Invoeren van buffers (~ L2 wordt ~ L) • Shielding Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  34. Oplossingen: 3-D Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  35. Oplossingen: 3-D • Probleem: warmteverwijdering • Warmtegeleidingsvias nodig Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  36. Oplossingen: optische verbindingen • Optische verbindingen komen steeds dichter bij chipniveau • Vroeger: Bord-naar-bord • Nu: Chip-naar-chip Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  37. Oplossingen: optische verbindingen • Optische verbindingen komen steeds dichter bij chipniveau • Toekomst: globale verbindingen op chip • Voorbeeld: optische klokboom Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

  38. 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

  39. Oplossingen: soldeerpads • Ook verbeteringen nodig voor verbindingen van en naar de chip • Van wire bonding naar solder bumps • Nieuw: sea-of-leads Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

More Related