Digital IC konstruktion

Transkript

1 Digital IC konstruktion Viktor Öwall Professor i Elektronikkonstruktion

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

3 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

4 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

5 Analogt kontra digitalt Analogt få komponenter låg effekt? verkliga signaler Digitalt Hög precision Komplexa algoritmer Lagringskapacitet CD/DVD, MP3, Digitalkamera, GSM/4G/5G, datorer, etc, etc

6 Vad hade vi före det?

7 Var används dessa rör idag?

8 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.

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

10 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]

11 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

12 Digitala kretsar CMOS Inverteraren V DD GND

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

14 ID CMOS Inverteraren med transistorn som switch V DD GND

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

16 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

17 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

18 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

19 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 )

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

21 P-Channel N-Well P-Substrate N-Channel

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

35 Heladderare i CMOS, bit A B Cout Cin S

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

37 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!

38 Integrerade kretsar av olika komplexitet AND-Gate 6 Transistorer Filter - Transistorer

39 Digitala eller analoga filter? Analoga filter Digitalt Filter Transistorer

40 Amplitude Vad är ett digitalt filter? Analog Digital Time

41 Samplings teoremet If an analog signal with a bandwitdth of BW signal, is sampled with a sampling frequency of f sample 2BWsignal the analog signal can be reproduced., f 2BW sample signal BWsignal f

42 Amplitude Vad är ett digitalt filter? Analog Digital Time

43 Vad är ett digitalt filter? x(n) + b + y(n) x(n) h D D D h h2 h3 + a Z - Z - b + y N k = ( n) = h( k) x( n k) y(n) + a n- a n Z - b m- b m m n = i + j i= j= ( ) ( ) ( ) y n b x n i a y n j +

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

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

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

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

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

49 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

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

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

52 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

53 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

54 44 till Pentium Intel 44 (97) 23 transistorer m/8khz 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!

55 Moores lag 27 ca 5 milliarder transistor idag 55

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

57 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...

58 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.

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

60 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

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

62 The end of some scaling!

63 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

64 Vad är hett idag? AI/ML

65 Vad är hett Parzen idag? Windows Conditional AI/ML ML takes data and produce an algorithm Classify species of plant based on petal length and width. Classify airbag on/off based on accelerometer data Classify cancer or not based on histopathological images : An Introduction to Machine Learning 44 / 49 Benign Gleason grade 3 Gleason grade 4 Gleason grade 5

66 Varför nu? AI/ML - good tools Better hardware Better software More data. Many hard problems solved

67

68 Varför nu? AI/ML - good tools Better hardware Better software More data. Many hard problems solved

69 Dedikerad hårdvara: tex för autonoma system. ISSCC (International Solid State Circuits Conference) 27

70 Dedikerad hårdvara för Massive MIMO för 5G! 3.6 A 6pJ/b 3Mb/s 28 8 Massive MIMO precoderdetector in 28nm FD-SOI H. Prabhu, J. Neves Rodrigues, L. Liu & O. Edfors, ISSCC 27 A.8Gb/s 7.6pJ/b 28 6 link-adaptive near-optimal massive MIMO detector in 28nm UTBB-FDSOI, W. Tang, H. Prabhu, L. Liu, V. Öwall & Z. Zhang, ISSCC 28.

71 Så vart är vi på väg?

72 FINFETs/Trigates

73 I sd (ma) 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.8 Drain Wrap-gate Source. μm..5. V Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, sd (V)

74 Mer om allt detta i EITF65 Digitalteknik och senare i ETIN2 Digital IC konstruktion

75 Vad är detta? A 32 x 32 magnetic-core memory plane storing 24 bits of data. Magneticcore memory was the predominant form of random-access computer memory for 2 years (circa ).

76 Minnen är en av de viktigaste beståndsdelarna i modern elektronik. Men hur lagrar vi ett värde?

77 Cell-phone circuit complexity and cost Courtesy: Sven Mattisson, Ericsson Viktor Öwall - EEIA 77

78 Minnen i datorer Larger memories become slower a Often several layers of memory hierarchy is used to have both large storage capabilities and fast memory acces Faster CPU Registers + Cache L Cache L2 Main memory RAM Hard drive/disc/disk Semiconductor memories Larger Traditionally Magnetic, know moving more and more towards SSD.

79 Så vad är en SSD eller Flashminne?

80 Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: ROM Read Only Memory RAM Random Access Memory FLASH 8

81 Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: ROM Read Only Memory Innehållet definierat av transistorplacering finns kvar när strömmen slås ifrån RAM Random Access Memory data lagras som laddning försvinner när strömmen slås ifrån FLASH data kan både läsas och skrivas finns kvar när strömmen slås ifrån

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

83 MOS transistorn Source Gate Drain Gate-oxid (isolerande) n + n + p - substrat WAFER

84 Flash minnen floating gate transistors Gate 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.

85 Flash minnen Floating gate transistors Gate 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

86 Flash EEPROM Control gate Floating gate erasure n source programming p-substrate Thin tunneling oxide n drain

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

88 FLASH write: trapped charge V DD Pull Up word word GND word2 word3 GND = trapped charge. Transitor is always off a Same content as ROM.

89 Tack!