Digital IC konstruktion

Transkript

1 Digital IC konstruktion Viktor Öwall Professor i Elektronikkonstruktion Prefekt EIT

2 Transistorn: en förstärkare Power Supply Korrekt? gate drain source En transistor kan användas på många olika sätt, t.ex. för att förstärka en elektrisk signal. Ground Energin måste tillföras från t.ex. ett spänningsaggregat.

3 Transistorn: en förstärkare Biasering för att ställa in arbetspunkt. Power Supply gate drain source En transistor kan användas på många olika sätt, t.ex. för att förstärka en elektrisk signal. Ground Energin måste tillföras från t.ex. ett spänningsaggregat.

4 Analogt kontra digitalt Analogt få komponenter låg effekt verkliga signaler Digitalt Hög precision Komplexare algoritmer Lagringskapacitet CD/DVD, MP3, Digitalkamera, GSM, datorer, etc, etc

5 Den första transistorn, 947 Nobelpris i fysik 956 William Shockley Walter Brattain John Bardeen även 972

6 Vad hade vi före det?

7 Var används dessa rör idag?

8 Vad är en transistor? Source Gate Drain I d n + n + I D N-Channel p - Halvledarkomponent V DS [V] Elektriska förhållanden V GS gate Småsignalmodell drain V DD Digitalt - Switchar V gs g m V gs g o V ds source GND

9 Digitalt arbetar vi i stort sätt uteslutande med CMOS transistorer. Source Gate Drain I d n + n + I D N-Channel p - Solid State Physics V DS [V] V GS Electrical Characteristics Digital transistor as a switch Small Signal Model (amplifier design) gate drain V DD V gs g m V gs g o V ds source GND

10 CMOS symboler drain NMOS PMOS gate source Vanligast vid digitalt! Substratet förutsetts kopplat till GND för NMOS och V DD för PMOS om inget annat anges.

11 Grundbulten: MOS transistorn (Metal Oxide Semiconductor) Source N-kanal Gate Drain n + n + Gate-oxid (isolerande) p - substrat WAFER

12 Periodiska Systemet

13 MOS transistor (Metal Oxide Semiconductor) Source N-kanal Gate Drain n + n + Gate-oxid (isolerande) N-kanal bildas när en positiv gate-source spänning, V GS, större än tröskelspänningen, V T, appliceras. p - substrat

14 NMOS: utgångsdiagram D Ökande V GS v in G S I D V DS [V]

15 NMOS som switch v in = hög a sluten v in G D S I D v in = låg a v GS = a öppen V DS [V]

16 PMOS transistor as a switch V DS [V] v in = hög a v GS = a öppen V DD v in G S D V GS v in = låg a sluten V GS V GS I D

17 Digitala kretsar CMOS Inverteraren V DD GND

18 CMOS Inverteraren med transistorn som switch V DD hög in a NMOS sluten PMOS öppen Ut kopplad till GND a låg GND

19 CMOS Inverteraren med transistorn som switch V DD I D GND

20 CMOS Inverteraren med transistorn som switch V DD låg in a NMOS öppen PMOS sluten Ut kopplad till VDD a hög GND

21 CMOS Inverteraren med transistorn som switch V DD GND

22 CMOS Inverteraren V OUT Ideal Idealt slår transistorerna om som strömbrytare vid V DD /2. Men hur är det egentligen? V dd /2 V IN

23 CMOS Inverteraren V OUT Ideal V OUT N Off P Lin Verklig N Sat P Lin Inget omedelbart omslag N Sat P Sat N Lin P Sat N Lin P Off V dd /2 V IN Omslagspunkt varierar V dd /2 V IN

24 Omslagstid V OUT N Off P Lin Verklig N Sat P Lin Vad beror omslagstiden på? N Sat P Sat N Lin P Sat N Lin P Off V IN

25 Omslagstid V OUT N Off P Lin Verklig N Sat P Lin N Sat P Sat Vad beror omslagstiden på? En kapacitans som inkluderar såväl interna som externa bidrag, t.ex. kapacitansen från ingången till nästa steg. En kapacitans måste laddas upp och spänningen över den kan inte ändras momentant. N Lin P Sat N Lin P Off V IN v t / RC t E e

26 Hur konstruerar vi som ingenjörer tex en inverterare? Om alls så i datorn. Ofta kommer dessa grundkomponenter i ett cellbibliotek.

27 P-Channel N-Well P-Substrate N-Channel

28 Logiska grindar, NAND V DD A B Truth Table A B OUT A B OUT GND

29 Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B A B OUT A OUT B GND

30 Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B A B UT A UT B GND

31 Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B A B UT A UT B GND

32 Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B A B UT A UT B GND

33 Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B A B UT A UT B GND

34 Logiska grindar V dd V dd V dd A A B V DD f NAND f AND B PMOS GND NAND + Inverter a AND NAND AND A B NAND AND A B GND GND NMOS Amerikansk & Europeisk

35 NAND Two Input NAND/ AND Inverter.8 m CMOS

36 Logisk Funktion? V DD Sanningstabell A B UT A B UT A B GND

37 Logisk Funktion: NOR V DD Sanningstabell A B UT A B UT A B GND Amerikansk Europeisk

38 ...och nu en adderare msb = most signifcant bit a cout msb msb b msb S msb cin msb a i+ b lsb = least signifcant bit i+ S i+ cout i a i b i S i cin i minnessiffra eller carry A B Cin S Cout

39 ...och nu en adderare msb = most signifcant bit a cout msb msb b msb S msb cin msb a i+ b lsb = least signifcant bit i+ S i+ cout i a i b i S i cin i minnessiffra eller carry A B Cin S Cout

40 ...och nu en adderare msb = most signifcant bit a cout msb msb b msb S msb cin msb a i+ b lsb = least signifcant bit i+ S i+ cout i a i b i S i cin i minnessiffra eller carry A B Cin S Cout

41 Heladderare i CMOS, bit A B Cout Cin S

42 Heladderare i CMOS, bit A B UT XOR A B Cout Cin S

43 Exempel på Heladderare i CMOS, bit 9 x NAND a 36 transistorer A B V DD B A B V DD C A B V DD C A C o C S C A C A B B A B C B 24 transistorer A Mer i Digitaltekniken!

44 4 bitars adderare

45 Integrerade kretsar av olika komplexitet AND-Gate 6 Transistorer Filter - Transistorer FFT - Million Transistorer

46 Och sen går vi bara vidare! Intel Pentium 4 (2) 42 million transistors.8 m /.5GHz

47 och vidare, tex Intel SandyBridge! 32 nm 64 bit Transistors ~3.5 GHz 26 mm 2 (x Pentium 4)

48 Antalet transistorer per chip dubbleras varje år. (965) Moores Lag Ändrar 975 till vartannat år. Gordon Moore En av Intels grundare

49 Antalet transistorer per chip dubbleras var år. (965) Ändrar 975 till vartannat år. Moores Lag: Originalet Gordon Moore En av Intels grundare

50 Första integrerade kretsen (IC), mm Kilbys IC: Phase-shift oscillator,.3mhz 5 komponenter varav Transistor Jack Kilby Nobelpriset 2 Bild i Noyce patentansökan Robert Noyce Co-founder of Intel

51 Original artikeln, 965: Cramming more components onto integrated circuits Antalet transistorer per chip dubblas varje år. Första chippet

52 Original artikeln, 965: Cramming more components onto integrated circuits Antalet transistorer per chip dubbleras varje år. ca 6 Original artikeln publiceras

53 Original artikeln, 965: Cramming more components onto integrated circuits Antalet transistorer per chip dubbleras varje år ca 6 97: transistorer I was just trying to get across the idea that chips were going to get more complex and because of that the cost per transistor was going to drop dramatically. Interview in 2

54 Moores Original artikel, 965: Cramming more components onto integrated circuits Integrated circuits will lead to such wonders as home computers... and personal portable communications equipment

55 Intel 44 (97) 23 transistorer m/8khz 44 till Pentium Intel Pentium 4 (2) 42 millioner transistorer.8 m /.5GHz approx. Om hastigheten för en bil hade ökat lika mycket som klockfrekvensen hade man kunnat köra från New York till San Fransisco på 3 sekunder! 8 gångern fler transistorer på 29 år!

56 Moores lag 27 ca 5 milliarder transistor idag 56

57 Så vad är problemet? Fysiken Hastigheten Effektförbrukningen Det är L som anger processen, t.ex. 45nm

58 Hastigheten T pd k C V L DD ( VDD VT ) 2 Minskad kapacitans ger snabbare krets vilket kommer med ny process. Högre matningsspänning ger snabbare kretsar men transistorerna brinner upp och...

59 Klockning av processorer! Intel Pentium 4 (2) 42 million transistors.8 m /.5GHz Hur ser den ut här? Om jag skickar in en klocka här. Kanske så här. Och hur bra funkar datorn då? Ofta mer än 5% av effekten i att fixa till klockan.

60 Effektförbrukningen (dynamisk) V DD Charge Discharge P f C V 2 dynamic L DD

61 CPU power consumption Pentium IV chip area.3 cm 2 (i 3 nm technology) Detta ger ca. W/cm 2 som måste transporteras bort, dvs säga kylning. Jämförelse: Den här ger ca W/cm

62 Så vad är problemet? Fysiken Hastigheten Effektförbrukningen Det är L som anger processen, t.ex. 45nm Mer i Digitaltekniken!

63 Klockfrekvensen ökar inte längre Vad gör vi? Vi går till multipla kärnor!

64 Multi-core processorer Intel KEROM dual core, 27, 29millioner trans. Fujitsu FR-V, 25, 83 millioner trans. IBM/Sony/Toshiba Cell 25, 234 millioner trans. Intel Nehalem. 2.3 milliarder transistorer Multi-core processorer: ökad prestanda vid samma klockfrekvens

65 Så vart är vi på väg?

66 FINFETs/Trigates

67 Wrap-Gate FETs Wrap-gates Device layout Nanowire Transistor.4.2. V g = -2 V to 2.4 V, V step.2 V V g =2.4 V Drain Wrap-gate Source. μm V Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, sd (V) I sd (ma)

68 Mer om allt detta i EIT2 Digitalteknik och senare i ETIN2 Digital IC konstruktion

69 Något lite om Flashminnen!

70 Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: ROM Read Only Memory RAM Random Access Memory FLASH 7

71 Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: ROM Read Only Memory data är statisk finns kvar när strömmen slås ifrån RAM Random Access Memory data kan både läsas och skrivas försvinner när strömmen slås ifrån FLASH data kan både läsas och skrivas finns kvar när strömmen slås ifrån

72 ROM V DD Pull Up word word GND word2 word3 bit bit bit2 bit3 GND Placeringen av transistorer bestämmer minnesinnehållet!

73 MOS transistorn Source Gate Drain Gate-oxid (isolerande) n + n + p - substrat WAFER ESS - Konsumentelektronik: Överblick 73

74 Flash minnen floating gate transistors Floating gate Control gate WL BL n + n + I ett Flash-minne har vi en speciell transistor. Alla platser i minnet har en transistor men vi kan elektriskt kontrollera funktionaliteten av minnescellen. EPROM, EEPROM och Flash har olika sätt att styra transistorn.

75 Flash minnen Floating gate transistors Floating gate Control gate WL BL n + n + Floating gate är inte kontakterda Om vi laddar floating gate mycket negativt a Ingen kanal a Ingen transistor Om ingen laddning a Kanal a Transistor

76 FLASH stucture V DD Pull Up word word GND word2 word3 GND Floating gate transistors everywhere!

77 FLASH write, e.g. trap charge V DD Pull Up word word GND word2 word3 GND = trapped charge. Transitor is always off a Same content as ROM.