Couches d'abstraction de conception : Guide clair de l'architecture de puce

Avant d'examiner plus en détail le langage Verilog, il est bon de comprendre les différentes couches d'abstraction dans la conception de puces.

La couche supérieure est l'architecture au niveau système qui définit les sous-blocs et les regroupe par fonctionnalité. Par exemple, un cluster de processeurs aurait plusieurs cœurs, blocs de cache et logique de cohérence de cache, le tout encapsulé comme un seul bloc avec signaux d'entrée/sortie.

Au niveau suivant, chaque sous-bloc est écrit dans un langage de description matériel pour décrire précisément la fonctionnalité de chaque bloc individuel. Les détails d'implémentation de bas niveau comme les schémas de circuits et bibliothèques technologiques sont ignorés. Par exemple, un bloc contrôleur aura plusieurs fichiers Verilog décrivant chacun un composant plus petit de sa fonctionnalité.

Les HDL sont ensuite convertis en schémas au niveau portes qui impliquent aussi des bibliothèques technologiques caractérisant les éléments numériques comme les bascules. Par exemple, le circuit numérique pour un verrou D contient des portes NAND agencées pour produire une sortie Q selon la table de vérité. Le schéma matériel peut aussi être dérivé de la table de vérité via la logique booléenne et les Karnaugh maps, mais ce n'est pas pratique pour des blocs complexes comme processeurs et contrôleurs.

L'implémentation d'une porte NAND se fait par la connexion de transistors CMOS dans un format particulier. À ce niveau, les largeurs de canal des transistors, Vdd et la capacité à piloter la charge capacitive de sortie sont pris en compte.

L'étape finale est le layout de ces transistors en silicium via des outils EDA pour la fabrication. À ce niveau, des connaissances sur les dispositifs et la technologie sont requises car différents layouts ont des propriétés physiques différentes comme résistance et capacitance.

Styles de conception

Il existe principalement deux styles pour la conception de blocs numériques : les méthodologies top-down et bottom-up.

Top-Down (descendant)

On définit d'abord un bloc de haut niveau avec identification des sous-modules requis. Chaque sous-bloc est divisé en composants plus petits jusqu'à atteindre la cellule feuille ou un stade indivisible.

Bottom-up (ascendant)

On identifie d'abord les blocs de construction disponibles, puis on les assemble et connecte pour construire des cellules plus grandes et composer le bloc de haut niveau.

Typiquement, une combinaison des deux flux est utilisée. Les architectes définissent la vue système, et les concepteurs implémentent la logique de chaque bloc fonctionnel qui sont synthétisés en portes. On suit un style top-down jusqu'à ce point. Cependant, ces portes ont été construites suivant un flux bottom-up en partant du layout physique du plus petit bloc optimisé pour surface, performance et puissance. Ces cellules standard ont aussi un schéma matériel et fournissent des infos comme temps de montée/descente, puissance et délais. Elles sont mises à disposition de l'outil de synthèse qui les sélectionne et instancie où nécessaire.