Hoofdstuk 4 Het belang van interconnecties
description
Transcript of Hoofdstuk 4 Het belang van interconnecties
Hoofdstuk 4
Het belang van interconnecties
Hoofdstuk 4
Het belang van interconnecties
Prof. dr. ir. Dirk Stroobandt
Academiejaar 2004-2005
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -2-
Inhoud (deel 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 Systemen2004-2005 -3-
Waarom zijn interconnecties belangrijk?
Waarom zijn interconnecties belangrijk?
• RC-tijdsvertraging– Tijdsvertraging in
metaalverbindingen is evenredig met de weerstand en de capaciteit: ~ RC
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -4-
Waarom zijn interconnecties belangrijk?
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: ~ L2!– Typische waarde: Al, 130nm proces, 20mm: 10 ns
• Dit is 1 klokperiode van 100 MHz !
• Vroeger: poortvertraging
domineerde• Nu: interconnectievertraging
domineert
Techn. p i (1 mm)
1 m 20 ps 1 ps
100 nm 5 ps 30 ps
35 nm 2,5 ps 250 ps
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -5-
Tijdsvertraging in verbindingen domineert
Tijdsvertraging in verbindingen domineert
Gate delay Interconnect delay (Al & SiO2) Interconnect delay (Cu & Low k)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
De
lay
(p
s)
650 500 350 250 180 130 100
Generation (nm)
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -6-
Effecten van schalingEffecten van schaling
• Lokale verbindingen schalen mee, globale niet
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -7-
Effecten van schalingEffecten van schaling
• Lokale verbindingen schalen mee, globale niet, zelfs niet met buffers
Figuur: Dennis Sylvester
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -8-
Effecten van schalingEffecten 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 Systemen2004-2005 -9-
Effecten van schaling op betrouwbaarheid
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 Systemen2004-2005 -10-
Andere invloeden: meerlaagstructuurAndere invloeden: meerlaagstructuur
• Meer interconnectielagen– Aantal verbindingen stijgt ~ G– Gemiddelde lengte L stijgt ~
Techn. #lagen
1 m 3
100 nm 8-9
35 nm 10
)5.0()(
)5.0()log(
)5.0(5.0
ppf
pG
pG
L
p
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -11-
Andere invloeden: meerlaagstructuurAndere invloeden: meerlaagstructuur
• Lagen in verschillende “tiers”
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -12-
Andere invloeden: meerlaagstructuurAndere invloeden: meerlaagstructuur
• Berekeningen meerlagen-
structuur nodig
Wirelength (mm)
Delay (ps) Wire width (m)
0 2 40 02 2 4Number of repeaters
Tier type 2
Tier type 1Tier type 0
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -13-
Andere invloeden: meerlaagstructuurAndere invloeden: meerlaagstructuur
• Uniforme en niet-uniforme lagen
6.31347.1053
Tier 2
Tier 1
Tier 0
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Number of layers per tier type
8.0251
Total
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -14-
Andere invloeden: meerlaagstructuurAndere 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:
l
kpipN
ikiv
1
85,01
i
ii N
AXp
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -15-
Andere invloeden: meerlaagstructuurAndere 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)
1)1()(1 li flv
Sai-Halasz
Chong
Chen
Experiment
M4
M4
M3
M3
M2
M1
1 2 3 4 5 6030
40
50
60
70
Uti
lisa
tio
n f
acto
r (%
)
Via fill rate f (%)
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -16-
Andere invloeden: meerlaagstructuurAndere invloeden: meerlaagstructuur
• Eenvoudig model geeft overschatting maar houdt beter rekening met de lengte van de verbindingen:
Stroobandt
Chong
Chen
Experiment
M4
M3
50
30
40
50
60
70U
tili
sati
on
fac
tor
(%)
Via fill rate f (%)
20
10
0
80
10 15 20 25 30 35 40 45 50
M3M4
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -17-
Andere invloeden: vermogendistributieAndere 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 Systemen2004-2005 -18-
Andere invloeden: klokdistributie
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 Systemen2004-2005 -19-
Andere invloeden: klokdistributie
Andere invloeden: klokdistributie
• Trend in klok-skew
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -20-
Andere invloeden: klokdistributie
Andere invloeden: klokdistributie
• Blijft ongeveer 5% van klokperiode
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -21-
Andere invloeden: klokdistributie
Andere invloeden: klokdistributie
• Oorzaken van klok-skew
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -22-
Andere invloeden: klokdistributie
Andere invloeden: klokdistributie
• Trend klok-jitter
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -23-
Andere invloeden: klokdistributie
Andere invloeden: klokdistributie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -24-
Andere invloeden: klokdistributie
Andere invloeden: klokdistributie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -25-
Andere invloeden: klokdistributie
Andere invloeden: klokdistributie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -26-
Andere invloeden: klokdistributie
Andere invloeden: klokdistributie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -27-
Andere invloeden: inductantieAndere invloeden: inductantie
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -28-
Andere invloeden: overspraakAndere invloeden: overspraak
• Grotere capacitieve koppeling tussen verbindingen• Goed terugkeerpad is belangrijk om invloed lokaal
te houden
terugkeerpad
slachtoffer
dicht dicht
verver
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -29-
Ontwerpruimte globale verbindingen
Ontwerpruimte globale verbindingen
• Beperkt door overspraak, bandbreedte en ruimte
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -30-
Ontwerpruimte globale verbindingen
Ontwerpruimte globale verbindingen
• Evolutie: het wordt steeds moeilijker
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -31-
OplossingenOplossingen
• 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)
oxr tAc 0
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -32-
OplossingenOplossingen
• Verminderen van r en c– Verbindingen schalen minder agressief– Verbindingen schalen niet in hoogte
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -33-
OplossingenOplossingen
• Invoeren van buffers(~ L2 wordt ~ L)
• Shielding
verbinding
shield shield
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -34-
Oplossingen: 3-DOplossingen: 3-D
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -35-
Oplossingen: 3-DOplossingen: 3-D
• Probleem: warmteverwijdering• Warmtegeleidingsvias nodig
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -36-
Oplossingen: optische verbindingen
Oplossingen: optische verbindingen
• Optische verbindingen komen steeds dichter bij chipniveau– Vroeger: Bord-naar-bord– Nu: Chip-naar-chip
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -37-
Oplossingen: optische verbindingen
Oplossingen: optische verbindingen
• Optische verbindingen komen steeds dichter bij chipniveau– Toekomst: globale verbindingen op chip
• Voorbeeld: optische klokboom
Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen2004-2005 -38-
Oplossingen: optische verbindingen
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 Systemen2004-2005 -39-
Oplossingen: soldeerpadsOplossingen: soldeerpads
• Ook verbeteringen nodig voor verbindingen van en naar de chip
• Van wire bonding naar solder bumps• Nieuw: sea-of-leads