ECTS - University of Pisa
Lo studente che completa il corso con successo sarà in grado di dimostrare una solida conoscenza degli aspetti principali della progettazione di circuiti integrati analogici e digitali, con enfasi particolare sui flussi di progetto full-custom e semi-custom basati su strumenti CAD che costituiscono lo stato dell’arte nel settore. Egli o ella acquisirà la capacità di analizzare e progettare i più diffusi blocchi analogici elementari seguendo il flusso di progetto full-custom, avendo l’occasione di mettere in pratica le metodologie imparate mediante un ambiente di progettazione basato su CAD didattico gratuito. Lo studente impererà a comprendere i principali parametri che influenzano le prestazioni in continua dei circuiti analogici.
Lo studente acquisirà inoltre la padronanza dei principali trade-off che caratterizzano il progetto di circuiti digitali, sfruttando strumenti CAD che rappresentano lo stato dell’arte dedicati alla sintesi automatica e alla verifica automatica di complessi sistemi digitali. Egli o ella apprenderà l’abilità di analizzare e progettare i principali blocchi che costituiscono i sistemi per l’analisi digitale dei segnali (DSP-Digital Signal Processing), tenendo conto delle principali metriche prestazionali (area occupata, velocità, consumo di potenza e affidabilità).
The student who successfully completes the course will be able to demonstrate a solid knowledge of the main issues related to analog and digital integrated circuit design with emphasis on full-custom and semi-custom design flows by exploiting state-of-the-art computer aided design tools. He or she will acquire the ability to analyze and design main analog building blocks following a full custom design flow and exploiting an educational electronic design automation environment. He or she will understand main parameters affecting analog circuit dc performances.
The student will also acquire the ability to master digital integrated circuit design trade-offs by exploiting state-of-the-art computer aided design and verification tools. He or she will acquire the ability to analyze and design circuits and architectures for the main building blocks of digital signal processing systems taking into account main performance metrics (area, speed, power consumption and reliability).
La verifica delle conoscenze acquisite verterà sulla capacità da parte dello studente di discutere criticamente i principali contenuti del corso e nella capacità di mettere a frutto le competenze relative risolvendo semplici compiti progettuali. Lo studente può anche richiedere di realizzare un progetto di progettazione pratica.
Metodi:
Esame orale finale
Relazione orale
Relazione scritta
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents and to master the acquired know-how in order to solve simple design tasks. The student could also request to perform a practical design project.
Methods:
Lo studente sarà in grado di analizzare e progettare semplici blocchi elementari analogici (quali specchi di corrente e amplificatori differenziali), a partire da specifiche di piccolo e grande segnale in continua.
Lo studente sarà in grado di svolgere le fasi principali del flusso di progetto analogico: disegno dello schema elettrico, simulazione elettrica, disegno del layout ed esecuzione delle verifiche necessarie. Per queste operazioni lo studente imparerà ad utilizzare semplici strumenti disponibili gratuitamente (LTSpice, Glade layout editor).
Lo studente sarà in grado di effettuare un'analisi comparativa fra le varie tecniche di realizzazione di circuiti integrati (GPP, DSP, FPGA, ASIC semi-custom and full-custom) tenendo conto delle principali metriche prestazionali (area occupata, velocità, consumo di potenza e affidabilità).
Lo studente sarà in grado di svolgere le fasi principali per la progettazione di un circuito integrato digitale su tecnologia semi-custom basandosi sul linguaggio di descrizione dell'hardware ad alto livello (VHLD) e programmi di sintesi logica automatica. In particolare sarà in grado di svolgere tutte le fasi progettuali per la realizzazione di progetto digitale su tecnologia FPGA Xilinx (basandosi sul tool di simulazione ModelSim ed il tool di sintesi e programmazione Xilinx VIVADO) e la relativa implementazione e collaudo sulla scheda prototipale Zybo.
The student will be able to analyze and design basic analog building blocks (e.g. current mirrors and differential amplifiers) starting from dc small signal and large signal specifications.
The student will be able to perform the most important phases of the analog design flow: schematic design, layout (physical) design, verification.
The student will be able to use free design tools (LTSpice, Glade layout editor)
The student will be able to perform a comparative analysis between the various techniques for the realization of integrated circuits (GPP, DSP, FPGA, ASIC semi-custom and full-custom) taking into account the main performance metrics (area occupied, speed, power consumption and reliability).
The student will be able to perform the main steps for the design of a digital integrated circuit on semi-custom technology based on the high-level hardware description language (VHLD) and automatic logic synthesis programs. In particular, the student will be able to perform all the design phases for the realization of a digital project on FPGA Xilinx technology (based on the ModelSim simulation tool and the Xilinx VIVADO synthesis and programming tool) and the related implementation and testing on the Zybo prototype board.
Durante le lezioni di laboratorio, lo studente sarà messo alla prova con semplici compiti di progetto elettrico e simulazione di blocchi elementari analogici.
Opzionalmente, lo studente avrà l’occasione di completare il flusso di progetto di semplici blocchi funzionali fino lla fase di layout e verifica cimentandosi nell’esecuzione di un progetto assegnato dal docente a gruppi di 1-5 persone.
Durante le lezioni di laboratorio, lo studente sarà messo alla prova con la progettazione di un sintetizzatore di frequenza digitale diretto: dalle specifiche di progetto, alla sua descrizione e verifica con il linguaggio di descrizione dell'hardware VHDL, fino alla progettazione su piattaforma FPGA Zync e all'implementazione e collaudo sulla scheda prototipale Zybo.
Opzionalmente, lo studente avrà l’occasione di completare il flusso di progetto di semplici sistemi digitali (dalla specifica alla sintesi su piattaforma FPGA) cimentandosi nell’esecuzione di un progetto assegnato dal docente a gruppi di 1-3 persone.
During the laboratory lectures, the students will be challenged to perform simple design and simulation of analog blocks.
The student may perform the complete design flow of analog functional block, including the layout and verification phase. These tasks, which are optional, are assigned by the teacher to groups of 1-5 students.
During the lab classes, the student will be challenged with the design of a direct digital frequency synthesizer: from the design specification, to its description and verification with the VHDL hardware description language, to the design on Zync FPGA platform and the implementation and testing on the Zybo prototype board.
Optionally, the student will have the opportunity to complete the design flow of simple digital systems (from specification to synthesis on FPGA platform) by trying his hand at the execution of a project assigned by the teacher in groups of 1-3 people.
Lo studente imparerà a considerare un dato circuito analogico sulla base della sua possibilità di essere integrato su silicio.
Lo studente imparerà come scegliere le performance di piccolo e grande segnale (in continua) che risultano più importanti nel determinare l’inserimento efficace di blocchi elementari in architetture più complesse.
Lo studente imparerà ad esplorare lo spazio di progetto per la progettazione di sistemi microelettronici digitali tenendo conto delle principali metriche prestazionali (area occupata, velocità, consumo di potenza e affidabilità).
The student will learn how to consider an analog circuit in terms of its suitability for integration.
The student will learn how to choose the dc performance figures (e.g. small signal gains or large signal ranges) that are relevant for the use of basic analog blocks into complex architectures.
The student will learn to explore the design space for designing digital microelectronic systems taking into account key performance metrics (area occupied, speed, power consumption, and reliability).
Lo studente verrà periodicamente interrogato durante le lezioni allo scopo di capire come si rapporta di fronte a semplici problemi che riguardano l’uso dei blocchi analogici e digitali elementari che vengono di volta in volta introdotti dai docenti.
Per gli studenti che scelgono di svolgere i progetti opzionali, è prevista una fase di discussione dei risultati nella quale il docente valuta l’effettivo grado di confidenza assunto dagli studenti nei confronti delle tecniche progettuali.
The student will be queried during the lectures in order to understand how they behave while facing simple problems regarding the use of the analog and digital blocks.
The student have to discuss the results of their projects with the teachers, who will determine the degree of confidence that the students have acquired with the main steps of the integrated circuit design flow.
Lo studente dovrà avere una buona conoscenza dei seguenti argomenti:
1) modelli dei dispositivi elettronici più diffusi (MOSFET e transistori bipolari)
2) tecnologie di fabbricazione dei circuiti integrati
3) tecniche di analisi dei circuiti elettronici per piccoli e grandi segnali (in continua).
4) conoscenze di porte logiche in CMOS (combinatorie e sequenziali)
5) Architettura di massima di un calcolatore
The students should have a good knowledge of:
1) models of most frequently used electron devices (MOSFETs and BJTs)
2) integrated circuit fabrication technologies
3) small signal and large signal dc circuit analysis
4) Knowledge of CMOS logic gates (combinational and sequential)
5) Basic of computer architecture
Attività di apprendimento:
Frequenza: fortemente consigliata ma non obbligatoria
Metodi di insegnamento:
Erogazione: didattica frontale emergenza COVID-19 permettendo altrimenti a distanza su piattaforma Teams
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Advised
Teaching methods:
Delivery: frontal emergency teaching COVID-19 allowing otherwise distance learning on Teams platform
Il corso è diviso in due moduli di 6 CFU ciascuno, tenuti da due docenti diversi.
Il primo modulo riguarda le basi del progetto di circuiti integrati secondo il flusso “full-custom” e lo studio dei blocchi analogici elementari usati più di frequente per la sintesi di sistemi analogici complessi. In particolare, le fasi principali del flusso di progetto full-custom (flusso analogico) verranno esposti agli studenti in modo dettagliato ed esemplificati mediante strumenti CAD didattici. I fenomeni tipici delle soluzioni integrate, quali gli errori di processo locali e globali verranno classificati fornendo una loro accurata rappresentazione mediante un originale approccio analitico. Inoltre, verranno descritti i principali blocchi analogici elementari, quali specchi di corrente e amplificatori differenziali, confrontando varie topologie sulla base di prestazioni di grande e piccolo segnale in continua. Infine, verranno introdotti riferimenti di tensione basati sul principio del band-gap.
Il secondo modulo riguarda la progettazione di circuiti digitali, includendo: l’esplorazione dello spazio di progetto secondo metriche prestazionali. Metodologie di progetto per circuiti digitali full-custom e semi-custom e FPGA basate su strumenti EDA (Electrical Design Automation) allineati allo stato dell’arte. Famiglie logiche CMOS statiche e dinamiche; architetture per latch e flip-flop, ALU e MAC (Multiply and Accumulate), strategie per la distribuzione del clock e delle alimentazioni; problematiche di “signal integrity” e progetto di strutture di I/O. Tecniche per la riduzione della potenza assorbita a diversi gradi di astrazione.
The course is organized in two modules of 6 CFU each, taught by two distinct teachers.
The first module covers the fundamentals of full custom integrated circuit (IC) design and the basic building blocks used to synthesize complex analog systems. In particular, the students will be introduced to main steps of the full custom design flow, illustrated by means of educational EDA tools. Phenomena, which are peculiar to the integrated circuit design, such as process errors (local and global variations) are described and properly modelled by means of an original approach. Furthermore, the most frequently used elementary analogue circuits will be analyzed taking into account small signal and large signal d.c. performance parameters. In this section, different topologies of current mirrors and single-stage differential amplifiers are described and compared on the basis of dc performance metrics. Voltage references based on the band-gap principle are also introduced.
The second module covers digital IC design including: Design space exploration according to given performance metrics. Design methodologies for full-custom and semi-custom digital IC design including FPGA by exploiting state-of-the-art EDA tools. CMOS static and dynamic logic families latch and flop design, ALU and MAC design, power supply and clock distribution, signal integrity, and I/O design. Design techniques for the reduction of CMOS power consumption at different levels of abstractions.
Il materiale didattico per il modulo analogico è integralmente fornito dal docente e distribuito gratuitamente attraverso il sito web del docente stesso, al link: http://docenti.ing.unipi.it/~a008309/mat_stud/PSM/ . Il link dà accesso ad una serie di directory denominate secondo l’anno in cui è stato tenuto il corso. Per esempio, la cartella “2019” contiene il materiale coerente con gli argomenti svolti nel 2019. Ogni cartella contiene un file “indice.pdf” che descrive i vari documenti, distinti in obbligatori ed opzionali. Il materiale, completamente in Inglese, copre tutto il contenuto del corso.
Il materiale didattico per il modulo digitale è disponibile in lingua inglese sul canale Teams del corso e sul sito web del docente. I libri consigliati per approfondimenti sono:
J. M. Rabaey, “Digital Integrated Circuits - A Design Perspective”, Prentice Hall
K.C. Chang, “Digital Systems Design with VHDL and Synthesis”, IEEE Computer Society
Recommended reading includes materials produced by the teacher and freely distributed through the teachers's webpage (http://docenti.ing.unipi.it/~a008309/mat_stud/PSM/). The link gives access to several directory which are named as the year the material refer to. For example, the material related to the course given in 2017 will be named “2017”. Each directory includes a file “indice.pdf” with a description of the material, divided into mandatory and optional subjects. The documents are in English and cover all the content of the course.
Course materials for the digital module are available in English on the course Teams channel and on the instructor's website. Recommended books for further study are:
J. M. Rabaey, "Digital Integrated Circuits - A Design Perspective," Prentice Hall
K.C. Chang, "Digital Systems Design with VHDL and Synthesis," IEEE Computer Society.
Il programma è lo stesso per studenti frequentanti e non frequentanti. Gli studenti non frequentanti possono trovare materiale gratuito che copre tutto il programma del corso nella pagina web indicata dai docenti
The program is the same for attending and non-attending students. Non-attending students can find free materials that covers all the subjects exposed during the lectures in the webpage indicated by the teachers.
L’esame consiste in una singola prova orale ed è unico per i due moduli. Gli studenti sono interrogati su argomenti appartenenti sia al modulo analogico, sia a quello digitale.
The exam consists of a single oral session and is unique for the two modules that compose this course. The student are asked to describe and discuss subjects belonging to both modules.
COMMISSIONE DI ESAME: Luca Fanucci, Paolo Bruschi
EXAM BOARD: Luca Fanucci, Paolo Bruschi
