34876 - ELETTRONICA DEI SISTEMI DIGITALI M

Anno Accademico 2021/2022

  • Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza
  • Campus: Bologna
  • Corso: Laurea Magistrale in Ingegneria elettronica (cod. 0934)

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si pone l'obiettivo di illustrare le metodologie di progetto dei circuiti integrati digitali a larga scala in tecnologia CMOS, con riferimento sia alle architetture circuitali che realizzano le più importanti funzioni logiche e aritmetiche sia alle tecniche di progettazione assistita ai vari livelli di astrazione. A tal fine, una parte importante del corso è dedicata a esercitazioni guidate volte a permettere allo studente di affrontare e risolvere alcuni problemi di progetto e caratterizzazione di moduli digitali di complessità crescente utilizzando programmi di progettazione assistita.

Contenuti

Il corso si divide in lezioni frontali in aula che seguono un approccio bottom-up, dal livello di astrazione più basso a quello più alto del sistema digitale, e da esercitazioni guidate volte a valutare i) i passi del flusso di progetto di un sistema digitale a partire dalla sua descrizione in un linguaggio HDL e ii) il progetto e la caratterizzazione a livello circuitale di una libreria di celle e macrocelle digitali.

Nelle lezioni frontali verranno affrontati i seguenti temi:

  • Livelli di astrazione di un sistema digitale. Requisiti funzionali e di prestazioni. Metodologie di progetto di sistemi digitali (full-custom, semi-custom ASIC e FPGA). Metriche per la valutazione delle loro prestazioni.
  • Richiamo sulle caratteristiche dei transistori MOS.
  • Celle combinatorie in logica statica CMOS pienamente complementare. Modelli per valutarne le prestazioni in flussi di progetto a standard-cell. Modelli di ritardo e consumo. Criteri di dimensionamento per la realizzazione di reti logiche complesse.
  • Analisi delle caratteristiche di altre famiglie logiche statiche e dinamiche, studio di alcune applicazioni significative.
  • Latch e registri CMOS statici e loro caratterizzazione per flussi di progetto a standard cell.
  • Sistemi digitali sincroni. Equazioni di vincolo sui tempi di setup e hold. Distribuzione del clock, effetto di skew e jitter.
  • Linee di interconnessione: effetti C, RC e RCL ad esse associati e modelli utilizzati in flussi di progetto di sistemi digitali. Progetto di buffer e ripetitori.
  • Micro-architetture circuitali delle principali funzioni aritmetiche (sommatori, moltiplicatori) e tecniche di accelerazione di tali funzioni.
  • Memorie a semiconduttori: memorie volatili statiche e dinamiche ad accesso casuale; memorie non volatili: EPROM, EEPROM, Flash, PCM
  • Architetture circuitali dei moduli che compongono un microprocessore: registri, ALU, shifter, tag memory, cache delle istruzioni, etc.

Le esercitazioni prevedono due attività principali:

  • Progetto diun modulo digitale: passi del flusso di front-end:
    • Linguaggio VHDL. Codice RTL sintetizzabile e non per scrittura del testbench. Simulazione funzionale. Sintesi logica: definizione dei vincoli e analisi dei risultati di prestazioni. Confronto delle prestazioni al variare delle scelte a livello RTL e dei criteri di ottimizzazioni definiti nella sintesi. Dimostrazione dei passi del flusso di back.end (place&route)
  • Progetto e caratterizzazione di una libreria di celle e macrocelle
    • Caratterizzazione dei dispositivi attivi nel processo PDK 45 nm attraverso simulazioni circuitali. Caratteristiche I/V al variare del fattore di dimensionamento e delle opzioni di processo (tensione di soglia).
    • Progetto e caratterizzazione di porte logiche combinatorie FCMOS utilizzando simulazioni circuitali.Analisi del layout delle celle.
    • Progetto e caratterizzazione di registri statici attraverso simulazioni circuitali.
    • Progetto e caratterizzazione di una macrocella aritmetica (sommatori, moltiplicatori). Analisi delle scelte a livello di micro-architettura, topologia circuitale e dimensionamento. Scelta del setup di simulazione.

Testi/Bibliografia

Tutti e soli gli argomenti del corso sono trattati in aula o nel corso delle esercitazioni.

Il materiale didattico è distribuito sulla piattaforma IoL e aggiornato annualmente.

Riferimento bibliografico di supporto:

J. M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic: Digital Integrated Circuits - A Design Perspective, Second Edition, Prentice Hall International, 2003 (http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/index.html ).

Approfindimenti: articoli su piattaforma IEEE Xplore

Metodi didattici

Il corso prevede lezioni frontali e esercitazioni in laboratorio; le attività in laboratorio hanno l’obiettivo di permettere allo studente di verificare tramite semplici esempi la comprensione degli effetti che scelte ai diversi livelli di astrazione, discusse a teoria, hanno sulle prestazioni di un sistema digitale.

Le esercitazioni prevedono l’utilizzo di programmi di progettazione assistita a diversi livelli di astrazione (RTL e circuitale) per la progettazione di Circuiti Integrati secondo la metodologia a Standard Cell o FPGA. I programmi saranno in parte di pubblico accesso in parte accessibili in forma remota o in presenza nel Lab7 dei DEI.

In considerazione della tipologia di attività e dei metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede la preventiva partecipazione di tutti gli studenti ai moduli 1 e 2 di formazione sulla sicurezza nei luoghi di studio, [https://elearning-sicurezza.unibo.it/] in modalità e-learning.


Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame sarà svolto in due fasi:

  • una prova scritta e/o orale sui contenuti di teoria durante la quale verranno anche verificati i risultati di tutte le esercitazioni svolte durante il corso.
  • presentazione diuna relazione scritta finale e successiva discussione orale in laboratorio sui risultati dell'attività di progetto e caratterizzazione di una macrocella digitale funzionalmente completa.

Il superamento della prima fase è propedeutico alla seconda.

Strumenti a supporto della didattica

Tutti e soli gli argomenti del corso sono trattati in aula o nel corso delle esercitazioni.

Il materiale didattico è distribuito sulla piattaforma IoL e aggiornato durante il corso. Il materiale è costituito da lucidi, esercizi, esempi di codici VHDL e comprende guide semplificate agli strumenti software utilizzati in laboratorio.

Le esercitazioni  sono parte integrante del corso e permettono un continuo confronto con il docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Eleonora Franchi Scarselli

SDGs

Istruzione di qualità

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.