LSI/VLSI YONGALARININ BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIMI

Kazım ERBAY

H.Ü. Elektronik Müh. Böl. Araştırma Görevlisi

Tümleşik devre yongalarının tasarımı sistemin fiyatında, çalışmasında ve diğer karakteristiklerinde bilineceği gibi önemli farklılıklar oluşturur. Tasarımcılar amaçların ger çekleştirilmesinde yazılım ile donanım arasındaki değişi mi, çağdaş IC (Integrated Circuits = Tümleşik Devre)'le rin kullanılmasıyla elde edilen sayısal sistemlerdeki daha düşük maliyet, düşük boyut ve sağlanan verim nedeniyle çok iyi düşünmelidirler. Donanım ile gerçekleştirilen du rumdaki verim, donanım kullanmadan yapılandan daha yüksek olacaktır. Fakat bu yolu izlemek daha çok zaman alır ve herhangi bir değişim pahalı olur.

LSI/VLSI hakkında bilgi sahibi olmak yazılımın dona nım ile gerçekleştirilmesinin temelidir. Birkaç standartı olan tümleştirme boyutları üretim miktarı ve çalışma ısı sı nedeniyle sınırlıdır.

BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM

Bilgisayarlar, bir LSI/VLSI sistemin tasarım ve geliştiril mesinde, sistemin tanımından başlayarak prototiplerin testine dek tüm bölümlerde yaygın olarak kullanılırlar.

Sistem

—9 İşkmsel

tanımlama

tasarım

Mantıksal tasarım

Elektro nik devre tasannu

Prototip testi

PCboard daftıh^ı

Test, hata giderme Yonga

t

karakterizasyon

dağılımı

ŞEKİL 1 : Bir LSI/VLSI sistemin tasarımındaki ve geliştirilme sindeki bölümler.

Tasarım için olan herhangi bir yöntem, benzeşim gerçek leştirme ya da test (bazı durumlarda alet modelleme de) bilgisayar programlarına dönüştürülür» bunlara CAD (Computer Aided Design = Bilgisayar Destekli Tasarım) programları denir. Kritik kararlar için bilgisayar kullanı mı oldukça faydalı bir yaklaşımdır. Bu programların ge

liştirilmesinin amaçları: LSI /VLSI yongalarının geliştir me ve tasarım süresini kısaltmak, tasarım hatalarını azalt mak, tasarımdaki değişimleri kolaylaştırmak ve gerçek leştirme ile test için gerekli süreyi azaltmaktır.

Sayısal sistemlerin ve yongaların gittikçe karışık hale gel mesiyle, gerekli olan zaman çok keskin olarak artar; bu na bağlı olarak daha fazla insan gücüne gerek duyulur. Tasarım ve geliştirmenin büyük bölümünü düzeltme za manı alır. Doğal olarak daha fazla elemanlı yongalar, da ha büyük oranda hata giderme süresi alacaklardır. Bu ne denle % 10'luk bir azaltma bile çok önemlidir. Sonuç olarak artan VLSI yongalarının tasarımı CAD programla rı kullanılmadan olanaksızdır.

Şekil 1'deki değişik tasarım bölümleri için bilgisayar destekli tasarım yöntemini inceleyelim.

SİSTEM TANIMLAMA, İŞLEVSEL TASARIM VE MANTIKSAL TASARIM

Bir sayısal sistem tasarlanmak istendiği zaman sistemin çalışmasının belirlenmesi, tanımlanması gerekir. Sistem altbirimlere ya da yazmaçlara bölünmelidir. Bu şekilde altbirimler ya da yazmaçlar arasındaki ilişkinin belirlen mesi işlevsel tasarımdır.

Mimari genellikle işlevsel tasarım ve sistem tanımlaması anlamındadır; çoğu zaman mantıksal tasarımı da içine alır. Böylece altbirimleri ya da yazmaçları oluşturan dev renin de mantıksal tasarımına gerek duyulur.

Sistem belirleme, işlevsel tasarım ve mantıksal tasarım hâlâ CAD kullanımında en zor olan bölümlerdir.

MANTIK BENZEŞİMİ

Bir mantık devresi ya da sistem mimarisi tasarlandığı za man, sistemin çalışması ve hatalar CAD programları ile denetlenir. Bu mantık benzeşimidir, çünkü CAD prog ramları devrenin tasarlanan devre olup olmadığını benze şim ile denetler. CAD programları devrenin içerdiği teh likeleri de verir. Benzeşim yapılacak devre genişledikçe programın fiyatı artar. Yonga gerçekleştirildikten sonra

bulunan mantık tasarımı hatalarını düzeltmek, elektro nik devre tasarımının, dağılımın ve prototipin yenilenme si nedeniyle çok zaman alır ve pahalıdır.

BÖLÜMLENDİRME VE YONGA TASARIMI

Mantıksal tasarım tamamlandıktan sonra devrenin tümü, yongalar arası bağlantılar en aza inecek şekilde her dev renin bir IC'ye verilmesiyle bölümlendiriiir. Her yongada sağlanabilen uç sayısı sınırlı olduğu için bölümlendirme en uygun şekilde yapılmalıdır. Yonganın tüm alanı her bölgeye farklı devreler yerleşecek şekilde bölgelere ayrı lır. Bu devrelere ayırma sırasında tüm alan en aza indiril miş ve yüksek çalışma hızı korunmuş olmalıdır. Eğer elektronik devre ve dağılımından sonra bazı devrelerin ayrılmış bölgelere uymadığı bulunursa tüm tasarım yeni lenir.

ELEKTRONİK DEVRE BENZEŞİMİ VE ANALİZİ

Mantık devreleri elektronik devrelere dönüştürülür. TAsa rımcılar hız, güç kaynağı gerilimi, mantıksal çalışmala rın tipleri ve sinyal düzeylerinin toleransları gibi elektro nik devre gereksinimlerini belirlerler. Tüm gereksinimleri toplayan, elektronik devreyi otomatik olarak tasarlayan ve transistor boyutu, akım genlikleri gib iparametreleri de belirleyen CAD programları gerekir. Bugünkü pratik yapıda tasarımcı dağılımdan önce elektronik devreyi ta sarlar ve bazı devre parametrelerinin geçici kabulünü ya par. CAD programları ile devreyi analiz ettikten sonra da bu analize dayalı olarak devreyi değiştirir. Tasarımcı dev re parametrelerinin daha kesin değerlerini gerçek dağı lımdan bulduktan sonra elektronik devrenin tasarımını ve CAD programları ile dağılımı yapılmış devrenin eşle mesini ve analizini bitirir.

Elektronik devre benzeşim ve analizi için olan bu CAD programları, elektronik devreyi karakterize eden doğru sal olmayan diferansiyel denklemlerin karmaşık sayılar analiz hesabını yapar.

TAP, ECAP (IBM tarafından) ve NET 1 gibi CAD prog ramları 1964 ve 1972 yılları arasında SSI (Small Scale In tegration = Küçük ölçek Tümleştirme) ve MSI (Medium Scale Int = Om ölçek Tüm.) için geliştirildiler. LSI (Large Scale Int. = Büyük ölçek Tüm.) için daha güçlü CAD programları olan ASTAP (IBM) ve SPICE (Nagel ve Pederson) 1973'ten sonra geliştirilmişlerdir. CIRCUS 2, SPICE 2, ISPICE, İTAP, NET 2, SCEPTRE ve UCCAP gibi farklı özellikleri olan birçok CAD programı da geliş tirilmiştir. Bunların çoğu tipik olarak birkaç yüze kadar transistoru olan devreler içindir. SPICE 2 ve bunun ayar lanmış düzenlemeleri endüstride yaygın olarak kullanıl maktadır.

MOS'a dayalı bir LSI/VLSI yongası çok fazla transistor içerir ve belirtilen bu programlar yeterince hızlı olamaz. Bu nedenle 197S'te MOTIS programı geliştirildi. Bu prog

ram çok daha fazla hıza sahiptir, 1000 MOS birimini kul lanabilir. MOTIS C ise 2500 MOS birimini kullanabilir.

Alet modelleme için olan programlar gelişmiş katı hal fiziği ve sayısal analiz bilgilerine gerek duyarlar. Bunlar elektronik ve mantıksal devre tasarımı için gerekli değil dirler. Alet modelleme programları aletlerin katı hal ya pısını tanımlamak için kullanılırlar. CADDET, MINIMOS, GEMİNİ, DTRAN, SITCAP ve TRANS 2D gibi alet mo delleme programları geliştirilmiştir. Aletin performansı fabrikasyon sırasındaki süreç tekniğine bağlıdır, bu ne denle süreç modelleme programları da çok önemlidir. Bu amaçla SUPREM 2 gibi süreç modelleme programları ge liştirilmiştir.

DAĞILIM

Mantık devrelerinin dağılımı Şekil 1 'de gösterilen dizide en çok zaman harcayan bölümdür. Tasarımlar bitirilmiş yonganın kalitesi (boyutu, çalışması) ile dağılım zamanı arasında bir dengeleme yapmak zorundadırlar. Bu tasa rım yaklaşımları için değişik CAD programları geliştiril miştir.

YERLEŞTİRME

Yonga tasarımı bittiği zaman farklı yongalar bir PC (Printed Circuit = Baskılı Devre) kitine yerleştirilmiş ve yongalar arası iç bağlantılar uygunca çizilmiş olmalıdır, öyleki tüm alan minimum olmalı ve maksimum çalışma hızı korunmalıdır. Bağlantıların çizimi CAD programları ile otomatik hale gelir. Bu amaçla geliştirilen yöntemler den birkaçı şunlardır:

i) "Maze running" yöntemi: Bu yöntemde tüm alan kü çük birim karelere bölünmüştür. Birleştirilmek istenen A ve B gibi iki noktadan A ya olan uzaklıkları her birim ka reye kaydedilir. A dan çıkıp B ye ulaşmaya çalışırken önceden çizilmiş hatlar gibi engellerle karşılaşılırsa bir başka yöne bir başka numaralı kare ile sapılır. En küçük sayı ile ulaşılan yol en kısa yoldur. Buna "Lee algoritma sı" denir. Ancak alan geniş olduğu zaman geniş bir bel lek ve uzun bir hesaplama süresine gerek duyulur. Bu ne denle bu yöntem diğerleri ile birlikte kullanılır.

n) "Line search" yöntemi: Bu yöntemde de A noktasın dan diğer hatlarla sınırlanana kadar bir yatay ve bir di key hat çizilir. Sonra bu hatları kesen ve diğer yönde uzayan hatlar çizilir. Bu şekilde zincirleme çalışmayla ara bağlantı bulunur. Bu bağlantı olabileceklerin en kısa sı değildir, ancak hesaplama süresi kısadır. Küçük bellek gerektiren bu yöntem sonucunda uzun da olsa bir bağ lantı kurulur.

TASARIMIN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ VE TESTİ önceki tasarım bölümlerinden sızan herhangi bir hatayı bulmak daha zor ve daha pahalı olduğu için bu bölümün önemi fazladır. Tam ve mükemmel bir test, yazılım ile

de donanım ile de olanaksızdır, sadece yonganın uzun va deli kullanımı tasarım hatalarının ortaya çıkmasına ne den olur.

CAD PROGRAMLARININ SORUNLARI

Y inelenen basit işleri (mantık benzeşimi gibi) daha hızlı ve insandan daha hatasız yapmak için CAD çok yararlı dır. Daha karmaşık işler için (işlevsel tasarım gibi) CAD iyi bir yaklaşım değildir.

Ayrıca sorunların bazı tipleri için CAD programlarına gi riş bilgisinin hazırlanması çok hantal ve zaman alıcıdır. Bu hazırlanma çoğu zaman CAD programlarının işleme süresinden fazla zaman alır. CAD bölgesel minimizasyon için iyidir ancak genel minimizasyon için iyi bir yakla şım değildir, örneğin CAD programları, dağılım alanını belirli bölümler için uygun olarak minimize ederken ge neli düşünmezler.

Veri yapılarının yanısıra yaklaşım yöntemlerinin ya da algoritmalarının kullanımı, düşünülen verimi sağlamak için önemlidir. Genelde CAD programlarının hesaplanır verimlerinde, iyi bilgilerle ve temel matematiksel algorit maların uygulama yaklaşımları ile geliştirilen programlar olup olmadığı çok farkeder.

Ticari CAD programları sınırlı alanlarda elde edilebilir. Güzel ve geniş CAD programları bulunsa bile onları ayar lamak ve düzeltmek gerekir, bu da belirli bir güç ister.

Sonuç olarak CAD programlarından bağımsız teknoloji geliştirmek zorunda kalırız. Çünkü teknoloji değiştiği za man programların da değiştirilmesi, her şeyin yeniden

düzenlenmesi demektir. Buna karşın teknolojiden bağım sız CAD programları teknolojiye bağımlı CAD program larına göre daha az verimlidir. Bu nedenle hangisinin ge liştirileceğine akıllıca karar vermek gerekir.

CAD PROGRAMLARININ SINIFLANDIRILMASI

Genel olarak 5 tipe ayrılırlar. İ lk iki tipi DC ve AC doğ rusal programlarıdır. Bu programlar direnç, sığaç, endük tans ve doğrusal bağımlı/bağımsız gerilim ve akım kay naklarını yani sadece doğrusal elemanları kullanırlar. Bu doğrusal programlarda devre eşitlikleri için frekans ala nı kullanılır.

Üçüncü tip CAD programları DC doğrusal olmayan ana liz programlarıdır. Bu tip programlar tüm doğrusal devre elemanlarını ve eğer bir eşitlik ve/veya bir tablo ile arala rındaki işlevsel ilişki tanımlanmış», doğrusal olmayan elemanları kabul ederler. Bu eşitlik ya da tablolar ele manların doğrusal olmayan karakteristiklerini akıma kar şı gerilim gibi bir işlevsel ilişki içinde tanımlamalıdırlar.

Dördüncü tip programlar, AC doğrusal olmayan ya da ge çici analiz programlardır ve tüm doğrusal ve doğrusal ol mayan devre elemanlarını kabul ederler.

Son tip programlar da tasarım ve otomasyon programla ndır.

KAYNAKLAR

— When and How to VLSI System Design — Introduction to VLSI System Design — Electronic Designen Handbook.

SAYIN MESLEKTAŞLARIMIZ, Elektrik mühendisliği II. Ulusal Kongresi ile birlikte EMO Ankara şubesince düzenlenen ELEKTRİK, ELEKTROMEKANtK, ELEKTRONİK VE BİLGİSAYAR/87 SERGİSİ beklenen ilgiyi görmektedir. Bu güne kadar kapalı alan için yapılan başvurular değerlendirilmiş ve ilgili firmalarla sözleşmeler yapılmıştır. Kapalı alandaki tüm standlann kiralanması işlemi sona ermiş tir. Şu anda Kongre fuayeleri ve açık alan için yapılan sergi istemleri değerlendirilmektedir. Sergimizin uzun olan isminin kısaltılması ve kolay akılda tutulabilmesi için bir LOGO yara tılmıştır. Bundan sonra da ulusal kongrelerle birlikte yapılacak olan sergilerde bu logo kullanıla caktır. Yani ELEKTRİK, ELEKTROMEKANİK, ELEKTRONİK ve BİLGİSAYAR SERGİSİ yerine ELEKTROBİL logosunu kullanacağız. Ayrıca bu logo'ya uygun afiş hazırlatılmış ve bası ma verilmiştir. Dergi elinize geçtiğinde afişin basım işlemi tamamlanmış olacakta. Sergi ile ilgili katolog hazırlanması, sergi alanının düzenlenmesi, vs. çalışmalar hızla devam etmektedir. Kong re ve sergi ile ilgili bülten çalışmaları başlatılmış olup çok yakında yayınlanacaktır. Sergi ile ilgili diğer haberlerimiz ve duyurularımız Herki sayılarımızda yer alacaktır. Kongre sırasında sergiye katılan firmaların özel tanıtım ve gösterileri bir program içerisinde yapılacaktır. Bu tanıtım faaliyetlerine katılmanızın yararlı olacağım sanıyoruz. Kongre pı uğramı içerisinde et kin tanıtım programı ile birlikte kokteyl ve geceler yer alacakta.

Kongre ve sergide tüm meslektaşlarımızı aramızda görmek istiyoruz.

Basanlarınızın devamım diler, ELEKTROBİL/87'de görüşmeyi temenni ederiz.

SA YGILARIMIZLA

EMİN DEMİRCİ KOORDİNATÖR