Στόχος Μαθήματος

Οι βασικοί στόχοι του μαθήματος είναι:

•        Η μελέτη και εκτεταμένη κατανόηση των σχεδιαστικών στόχων υλοποίησης ψηφιακών συστημάτων σε υλικό (FPGAs, ASICs, ASIPs) αναφορικά με την ταχύτητα, κατανάλωση ενέργειας, επιφάνεια που καταλαμβάνουν, κλπ.

•        Η μελέτη, εκτεταμένη κατανόηση και μετέπειτα εφαρμογή στην πράξη της ροής σχεδιασμού και υλοποίησης συστημάτων υλικού καθώς και μελέτη και συγκριτική αποτίμηση των διαφορετικών εναλλακτικών αρχιτεκτονικών υλοποίησης τους.

•        Η σε βάθος κατανόηση των διαφορετικών στρατηγικών/μεθοδολογιών για τη σχεδίαση σχεδιασμών σε υλικό.

•        Η μελέτη και εφαρμογή κατάλληλων τεχνικών βελτιστοποίησης ψηφιακών σχεδιασμών όπως: παραλληλισμός, διοχέτευση και αλγοριθμικό ξεδίπλωμα, σε επίπεδο συστήματος, αλγορίθμου καθώς και  κυκλώματος για βέλτιστες υλοποιήσεις ψηφιακών σχεδιασμών 

•        αναφορικά με τον  εκάστοτε περιοριστικό σχεδιαστικό παράγοντα (υψηλή ταχύτητα, χαμηλή κατανάλωση, μικρή επιφάνεια).

•        Ο καθορισμός λειτουργικών προδιαγραφών και η επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας συστημάτων.

•        Η ανάπτυξη ψηφιακών συστημάτων με χρήση της γλώσσας περιγραφής υλικού VHDL.

•        Η απόκτηση σχεδιαστικής εμπειρίας μέσω της κατ' οίκον "εργαστηριακής εκπαίδευσης" (με παροχή κατάλληλων εργαλείων σύνθεσης και εξομοίωσης σχεδιασμώv) μέσα από εβδομαδιαίες mini εργασίες στα παραπάνω θέματα.

•        Η εισαγωγή στις βασικές έννοιες ελέγχου και ελεγξιμότητας ορθής λειτουργίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ICs, στην αποτίμηση γραμμών παραγωγής IC (yield), στα οικονομικά του ελέγχου ICs κ.α.

•        Η μοντελοποίηση και ανίχνευση σφαλμάτων και εισαγωγή στον σχεδιασμό για ελεγξιμότητα ICs.

•        Η εισαγωγή στους εξομοιωτές σφαλμάτων, στην δημιουργία και εφαρμογή διανυσμάτων ελέγχου και σε τεχνικές ελέγχου κυκλωμάτων.

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Με την ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής:

•        Θα έχει κατανοήσει σε λεπτομέρεια τις εναλλακτικές αρχιτεκτονικές υλοποίησης ψηφιακών συστημάτων και τη θεωρία που απαιτείται για τη σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας, χαμηλής κατανάλωσης και μικρής επιφάνειας ολοκλήρωσης

•        Θα έχει κατανοήσει τις διάφορες στρατηγικές σχεδιασμού συστημάτων ώστε να επιλέγει την καταλληλότερη ανάλογα με τις ανάγκες του αλγορίθμου ή της εφαρμογής που θέλει να υλοποιήσει σε υλικό

•        Θα μπορεί να επιλέγει μεταξύ διαφορετικών υλοποιήσεων ή να εφαρμόζει κατάλληλες τεχνικές βελτιστοποίησης για τη σχεδίαση υψηλής ταχύτητας ή χαμηλής κατανάλωσης ή μικρής επιφάνειας υπο-κυκλωμάτων ανάλογα με τους σχεδιαστικούς περιορισμούς της αλγοριθμικής εφαρμογής

•        Θα μπορεί να εφαρμόζει τεχνικές βελτιστοποιησης σε όλα τα επίπεδα της σχεδιαστικής ροής (συστήματος, αλγορίθμου, καταχωρητή, κυκλώματος) για την αποδοτική υλοποίηση αλγορίθμων σε σχεδιασμούς υλικού

•        Θα γνωρίζει σε βάθος τις μεθόδους και τεχνικές που απαιτούνται για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας VLSI κυκλωμάτων και συστημάτων

•        Θα έχει αποκτήσει σχεδιαστική εμπειρία στα παραπάνω θέματα μέσω των κατ' οίκον εβδομαδιαίων mini εργαστηριακών ασκήσεων

•        Θα έχει αποκτήσει εκτενή εμπειρία μέσω των εβδομαδιαίων mini εργαστηριακών ασκήσεων στο σχεδιασμό και υλοποίηση ψηφιακών συστημάτων σε υλικό με τη γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL  

•        Θα έχει κατανοήσει την βασική ανάγκη του ελέγχου ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και την ανάγκη για σχεδιασμό τους για αυξημένη ελεγξιμότητα  αναφορικά και με οικονομικές παραμέτρους του σχεδιασμού και υλοποίησης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

•        Θα εχει αποκτήσει γνώση για τον τρόπο ανίχνευσης και μοντελοποίησης σε λογικό επίπεδο των σφαλμάτων σε ολοκληρωμένα κυκλώματα

•        Θα εχει αποκτήσει εμπειρία στην δημιουργία και εφαρμογή διανυσμάτων έλεγχου καθώς και σε τεχνικές ελέγχου για έλεγχο ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.  

Προαπαιτούμενα

EEN 212 και EEN 314 ή CEI 122  και CEI 323

Περιεχόμενο Μαθήματος

Εισαγωγικές  αλλά και προχωρημένες τεχνικές ανάπτυξης, σχεδιασμού και ελέγχου ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Τεχνικές βελτιστοποίησης ψηφιακών σχεδιασμών ως προς διάφορες παραμέτρους των σχεδιαζόμενων συστημάτων καθώς και εφαρμοσμένες πρακτικές επαλήθευσης των σχεδιασμών αυτών. Αναλυτική προσέγγιση της ροής σχεδιασμού, των επιπέδων σχεδιασμού και υλοποιήσεων ψηφιακών συστημάτων, Top/Down και Bottom/Up προσέγγιση με παραδείγματα, Θέματα χρονισμού και βελτιστοποίησης του. Σχεδίαση συστημάτων με pipeline για υψηλή απόδοση. Σχεδίαση συστημάτων με παραλληλισμό για χαμηλή κατανάλωση. Σχεδιασμοί με Pipeline, Αλγοριθμικό ξεδίπλωμα, και παράλληλη επεξεργασία για χαμηλή κατανάλωση. Υλοποίηση Testbenches για εξομοίωση συστημάτων. Προβλήματα σχεδίασης σε σύγχρονες τεχνολογίες μικρότερες των 90nm. Σχεδιασμός ψηφιακών συστημάτων με γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL. Περιπτωσιολογική εκτενής ανάλυση και βελτιστοποιημένος επανασχεδιασμός  υλοποίησης σε υλικό κρυπτογραφικού αλγορίθμου: περίπτωση συνάρτησης κατακερματισμού SHA-1 με  pipelined σχεδιασμό. Εισαγωγή στον έλεγχο ορθής λειτουργίας. Μοντελοποίηση και ανίχνευση σφαλμάτων. Μοντέλα απλών και πολλαπλών σφαλμάτων. Κάλυψη σφαλμάτων. Σφάλματα γεφύρωσης. Λογική εξομοίωση και εξομοίωση σφαλμάτων. Σειριακοί, Παράλληλοι, Επαγωγικοί και Σύνδρομοι εξομοιωτές σφαλμάτων. Δημιουργία και εφαρμογή διανυσμάτων ελέγχου. Αλγεβρικές και αλγοριθμικές μέθοδοι εξαγωγής διανυσμάτων ελέγχου. Τεχνικές σχεδιασμού για ελεγξιμότητα. Σημεία παρατήρησης και ελέγχου. Ψευδό-εξαντλητικός έλεγχος. Scan-path τεχνική για έλεγχο ακολουθιακών κυκλωμάτων.