Υ52 Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων 1: Εισαγωγή

Transcript

1 Υ52 Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων 1: Εισαγωγή Γιάννης Λιαπέρδος TEI Πελοποννήσου Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ

2 Πληροφορίες για το μάθημα Περιεχόμενα 1 Πληροφορίες για το μάθημα 2 Προγραμματισμός μαθημάτων 3 Εισαγωγή Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 2 / 45

3 Πληροφορίες για το μάθημα Περιεχόμενο Εισαγωγή στον σχεδιασμό και τις αρχιτεκτονικές ολοκληρωμένων ψηφιακών κυκλωμάτων και συστημάτων πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI) Μεθοδολογίες και εργαλεία σχεδιασμού ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Φυσικός σχεδιασμός (layout) και διαδικασίες υλοποίησης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS Ανάλυση του αναστροφέα CMOS, και βασικών και σύνθετων λογικών πυλών Οικογένειες στατικών και δυναμικών πυλών Ακολουθιακή λογική, καταχωρητές και flip-flops Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 3 / 45

4 Πληροφορίες για το μάθημα Τύπος μαθήματος Το μάθημα είναι θεωρητικό και περιλαμβάνει θεωρία και ασκήσεις πράξης Θεωρητικό μέρος Το θεωρητικό μέρος καλύπτεται με διαλέξεις διάρκειας δύο ωρών ανά εβδομάδα Η παρακολούθηση του θεωρητικού μέρους είναι προαιρετική Ασκήσεις Πράξης Οι ασκήσεις πράξης καλύπτουν ένα δίωρο διδασκαλίας ανά εβδομάδα Κατά τη διάρκειά τους αναπτύσσονται πρακτικά θέματα και εφαρμογές της αντίστοιχης θεωρίας Η παρακολούθηση των ασκήσεων πράξης είναι προαιρετική Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 4 / 45

5 Πληροφορίες για το μάθημα Εγγραφή Παρακολούθηση Θεωρητικό μέρος Προκειμένου να μπορείτε να λάβετε μέρος στις γραπτές εξετάσεις του εξαμήνου, θα πρέπει να έχετε συμπεριλάβει το μάθημα στην ατομική δήλωση μαθημάτων σας Ασκήσεις Πράξης Δεν απαιτείται εγγραφή Προτείνεται να οργανωθείτε σε ομάδες των 2 3 φοιτητών και να εξασφαλίσετε έναν φορητό υπολογιστή ανά ομάδα Εφόσον το επιτρέπουν οι συνθήκες, το μάθημα θα πραγματοποιείται στο εργαστήριο Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 5 / 45

6 Πληροφορίες για το μάθημα Αξιολόγηση (1/4) Θεωρητικό μέρος Η αξιολόγηση του θεωρητικού μέρους γίνεται με γραπτή τελική εξέταση η οποία διενεργείται στα πλαίσια των εξεταστικών περιόδων Για τη συμμετοχή σας στις εξετάσεις του μαθήματος θα πρέπει να βεβαιωθείτε πως αυτό περιλαμβάνεται στη δήλωση μαθημάτων σας Όσοι έχετε δικαίωμα προφορικής εξέτασης, επιβεβαιώστε πως το όνομά σας περιλαμβάνεται στον σχετικό κατάλογο τον οποίο θα αποστείλει η Γραμματεία στον διδάσκοντα Η κλίμακα βαθμολόγησης είναι από 0 έως 10, με ακρίβεια ενός δεκαδικού ψηφίου Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 6 / 45

7 Πληροφορίες για το μάθημα Αξιολόγηση (2/4) Ασκήσεις Πράξης Στα πλαίσια των ασκήσεων πράξης, ανατίθεται αριθμός γραπτών εργασιών / ασκήσεων οι οποίες υποβάλλονται ατομικά από τους φοιτητές μέσω του eclass Κάθε εργασία / άσκηση βαθμολογείται ως επαρκής (10) ή ανεπαρκής (0) Οι φοιτητές για τους οποίους ο αριθμός των εργασιών / ασκήσεων που έχουν υποβάλει και οι οποίες βαθμολογήθηκαν ως επαρκείς είναι μικρότερος από το 50% του συνόλου θα απορρίπτονται Εργασίες / ασκήσεις οι οποίες αποτελούν προϊόν λογοκλοπής θα βαθμολογούνται ως ανεπαρκείς Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 7 / 45

8 Πληροφορίες για το μάθημα Αξιολόγηση (3/4) Τελικός βαθμός Στη Γραμματεία κατατίθεται βαθμός μόνο για το θεωρητικό μέρος Ο τελικός βαθμός θα είναι μηδενικός εάν ο αριθμός των εργασιών / ασκήσεων που υπέβαλε ο φοιτητής και οι οποίες βαθμολογήθηκαν ως επαρκείς είναι μικρότερος από το 50% του συνόλου Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 8 / 45

9 Πληροφορίες για το μάθημα Αξιολόγηση (4/4) Σε περίπτωση αποτυχίας: Εάν αποτύχετε στις εξετάσεις της χειμερινής περιόδου, μπορείτε να προσπαθήσετε ξανά στην επαναληπτική εξεταστική του Σεπτεμβρίου Η συνθήκη η οποία αφορά τις υποβαλλόμενες εργασίες / ασκήσεις αφορά και την εξεταστική περίοδο του Σεπτεμβρίου Η εκπλήρωση της συνθήκης η οποία αφορά τις υποβαλλόμενες εργασίες / ασκήσεις κατοχυρώνεται και για μεταγενέστερες εξεταστικές περιόδους Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 9 / 45

10 Πληροφορίες για το μάθημα Βιβλιογραφία (1/2) Βιβλία Ευδόξου ( ) J Rabaey, A Chandrakasan, B Nikolic, Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα - μια σχεδιαστική προσέγγιση, 2η έκδοση, εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα, 2006 (κωδικός στον Εύδοξο: 13944) N Weste, D Harris, Σχεδίαση Ολοκληρωμένων Συστημάτων CMOS VLSI, εκδόσεις Παπασωτηρίου, Αθήνα, 2010 (κωδικός στον Εύδοξο: ) SΜ Kang, Υ Leblebici, Ανάλυση & Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων CMOS, 3η έκδοση, εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, 2007 (κωδικός στον Εύδοξο: ) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 10 / 45

11 Πληροφορίες για το μάθημα Βιβλιογραφία (2/2) Άλλα Βιβλία Βοηθήματα Ι Λιαπέρδος, Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική, Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών, Σπάρτη 2015 (διαδραστικό ηλεκτρονικό βιβλίο) - κεφάλαια 1 έως 5 Ι Λιαπέρδος, Μαθήματα Ψηφιακών Ηλεκτρονικών, Σπάρτη 2014 Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 11 / 45

12 Πληροφορίες για το μάθημα Εκπαιδευτικό Υλικό e-class Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 12 / 45

13 Πληροφορίες για το μάθημα Εκπαιδευτικό Λογισμικό TINA (Texas Instruments) QUCS (Quite Universal Circuit Simulator) DEEDS (Digital Electronics Education and Design Suite) Electric VLSI Design System ModelSim (βλπ eclass) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 13 / 45

14 Πληροφορίες για το μάθημα Επικοινωνία www Ώρες συνεργασίας βλπ site Τμήματος Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 14 / 45

15 Προγραμματισμός μαθημάτων Περιεχόμενα 1 Πληροφορίες για το μάθημα 2 Προγραμματισμός μαθημάτων 3 Εισαγωγή Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 15 / 45

16 Προγραμματισμός μαθημάτων 01: Εισαγωγή 02: Σχεδίαση λογικών κυκλωμάτων με διακόπτες 03: FETs και MOSFETs 04: Σχεδίαση λογικών κυκλωμάτων με MOSFETs Λογικές οικογένειες 05: Μελέτη αναστροφέα με MOSFETs 06: Σχεδίαση συνδυαστικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 07: Χαρακτηριστικά επίδοσης (ταχύτητα κατανάλωση ανοχή στον θόρυβο) 08: Μανδαλωτές και flip-flops 09: Σχεδίαση ακολουθιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 10: Εργαλεία και μεθοδολογίες σχεδίασης 11: Αρχές φυσικού σχεδιασμού (layout) 12: Στοιχεία ελέγχου, εκσφαλμάτωσης και επαλήθευσης 13: Επανάληψη Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 16 / 45

17 Εισαγωγή Περιεχόμενα 1 Πληροφορίες για το μάθημα 2 Προγραμματισμός μαθημάτων 3 Εισαγωγή Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 17 / 45

18 Εισαγωγή Ολοκληρωμένο κύκλωμα (1/3) Με τον όρο ολοκληρωμένο κύκλωμα (ή απλά, ολοκληρωμένο) [integrated circuit IC] αναφερόμαστε σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα αποτελούμενο από διατάξεις ημιαγωγών αλλά και από παθητικά στοιχεία το οποίο κατασκευάζεται εξολοκλήρου στην επιφάνεια ενός υποστρώματος από ημιαγωγό και έχει εξαιρετικά μικρές διαστάσεις Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 18 / 45

19 Εισαγωγή Ολοκληρωμένο κύκλωμα (2/3) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 19 / 45

20 Εισαγωγή Ολοκληρωμένο κύκλωμα (3/3) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 20 / 45

21 Εισαγωγή Γιατί ολοκληρωμένα κυκλώματα; (1/2) Μικρές διαστάσεις Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 21 / 45

22 Εισαγωγή Γιατί ολοκληρωμένα κυκλώματα; (2/2) Μεγαλύτερη ταχύτητα Μικρότερη κατανάλωση ισχύος Μπορείτε να σκεφθείτε μειονεκτήματα των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων; Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 22 / 45

23 Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή (1/2) 1906 Ηλεκτρονική λυχνία κενού De Forest 1948 Transistor Bardeen, Brattain, Shockley Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 23 / 45

24 Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή (2/2) 1958 Ολοκληρωμένο κύκλωμα Kilby Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 24 / 45

25 Εισαγωγή Κλίμακα ολοκλήρωσης Με την εξέλιξη της τεχνολογίας η κλίμακα ολοκλήρωσης, ένα μέτρο της «πυκνότητας» των ηλεκτρονικών στοιχείων ανά ολοκληρωμένο κύκλωμα, βελτιώνεται συνεχώς από τις αρχές της δεκαετίας του 1960, οπότε κατασκευάστηκαν τα πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματα, έως και σήμερα Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 25 / 45

26 Εισαγωγή Γενιές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 26 / 45

27 Εισαγωγή Τύποι ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Ένα ολοκληρωμένο μπορεί να περιέχει μόνο αναλογικά κυκλώματα, μόνο ψηφιακά κυκλώματα ή συνδυασμό αναλογικών και ψηφιακών, οπότε και ονομάζεται μικτού τύπου Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 27 / 45

28 Εισαγωγή Κωδική ονομασία Κάθε ολοκληρωμένο διακρίνεται από μια κωδική ονομασία (πχ LM741), η οποία χαράσσεται πάνω στο σώμα (στη συσκευασία) του κυκλώματος κατά την κατασκευή του Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 28 / 45

29 Εισαγωγή Ακροδέκτες Ανάλογα με την πολυπλοκότητά του ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διαθέτει ορισμένο αριθμό ακροδεκτών (pins) Σε αυτούς περιλαμβάνονται ακροδέκτες εισόδου, εξόδου, τροφοδοσίας κλπ Η λειτουργικότητα κάθε ακροδέκτη διαφέρει προφανώς για κάθε ολοκληρωμένο και παρέχεται από το φύλλο δεδομένων (data sheet) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 29 / 45

30 Εισαγωγή Συσκευασίες (1/2) Υπάρχουν διάφοροι τύποι συσκευασιών (packages) εντός των οποίων περικλείεται ένα ολοκληρωμένο Οι συνηθέστεροι είναι οι DIP (Dual Inline Package) όπου οι ακροδέκτες διατάσσονται κατά μήκος δύο παράλληλων πλευρών της συσκευασίας και PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) όπου οι ακροδέκτες διατάσσονται κατά μήκος και των τεσσάρων πλευρών Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 30 / 45

31 Εισαγωγή Συσκευασίες (2/2) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 31 / 45

32 Εισαγωγή Κατασκευή (1/14) Ένα ανάλογο: Χάραξη αγωγών σε PCB (printed circuit board) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 32 / 45

33 Εισαγωγή Κατασκευή (2/14) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 33 / 45

34 Εισαγωγή Κατασκευή (3/14) Επιπεδική και 3D τεχνολογία Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 34 / 45

35 Εισαγωγή Κατασκευή (4/14) Πρώτη ύλη: Στην πλειοψηφία τους, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα κατασκευάζονται σε κρυστάλλους πυριτίου (Si), κυρίως εξαιτίας του χαμηλού κόστους παραγωγής 1 1 Το κόστος κατασκευής σε γερμάνιο (Ge) είναι δεκαπλάσιο Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 35 / 45

36 Εισαγωγή Κατασκευή (5/14) 1o βήμα: Κατασκευή μονοκρυστάλλου πυριτίου: Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 36 / 45

37 Εισαγωγή Κατασκευή (6/14) Μέθοδος Czochralski: Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 37 / 45

38 Εισαγωγή Κατασκευή (7/14) 2o βήμα: Κοπή μονοκρυστάλλου σε δισκίδια (wafers): Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 38 / 45

39 Εισαγωγή Κατασκευή (8/14) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 39 / 45

40 Εισαγωγή Κατασκευή (9/14) 3o βήμα: Απόθεση στρωμάτων / αποτύπωση γεωμετρικών μορφών: Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 40 / 45

41 Εισαγωγή Κατασκευή (10/14) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 41 / 45

42 Εισαγωγή Κατασκευή (11/14) Καθαρός χώρος (clean room): Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 42 / 45

43 Εισαγωγή Κατασκευή (12/14) 4o βήμα: Κοπή δισκιδίων σε ψηφίδες: Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 43 / 45

44 Εισαγωγή Κατασκευή (13/14) 5o βήμα: Συσκευασία (packaging): Ελιά - Γραμμική Γραφή Β' Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 44 / 45

45 Εισαγωγή Κατασκευή (14/14) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 1: Εισαγωγή 45 / 45