Υ52 Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων. Δεληγιαννίδης Σταύρος Φυσικός, MsC in Microelectronic Design

Transcript

1 Υ52 Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων Δεληγιαννίδης Σταύρος Φυσικός, MsC in Microelectronic Design TEI Πελοποννήσου Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής Τ.Ε. 1

2 Περιεχόμενο Μαθήματος Κατεύθυνση Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών Υ50 Μικροϋπολογιστές και Μικροεπεξεργαστές Υ51 Ενσωματωμένα Συστήματα Υ52 Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων Υ53 Τεχνολογία Κατασκευής Μικροηλεκτρονικών Κυκλωμάτων 2

3 Περιεχόμενο Μαθήματος 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 3

4 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. Ασκήσεις Πράξης Η παρακολούθηση του θεωρητικού μέρους είναι προαιρετική. 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. 4

5 Εγγραφή Παρακολούθηση Θεωρητικό μέρος Ασκήσεις Πράξης Προκειμένου να μπορείτε να λάβετε μέρος στις γραπτές εξετάσεις του εξαμήνου, θα πρέπει να έχετε συμπεριλάβει το μάθημα στην ατομική δήλωση μαθημάτων σας. 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.. 5

6 Αξιολόγηση 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. 6

7 Αξιολόγηση 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. 7

8 Αξιολόγηση Τελικός Βαθμός 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. 8

9 Αξιολόγηση Τελικός Βαθμός Στη Γραμματεία κατατίθεται βαθμός μόνο για το θεωρητικό μέρος. Ο τελικός βαθμός θα είναι μηδενικός εάν ο αριθμός τωνεργασιών / ασκήσεων που υπέβαλε ο φοιτητής και οι οποίες βαθμολογήθηκαν ως επαρκείς είναι μικρότερος από το 50% του συνόλου. 9

10 Βιβλιογραφία Μαθήματος 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 ΣυστημάτωνCMOS VLSI, εκδόσεις Παπασωτηρίου, Αθήνα, 2010 (κωδικός στον Εύδοξο: ) S.Μ. Kang, Υ. Leblebici, Ανάλυση & Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων CMOS, 3η έκδοση, εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, 2007 (κωδικός στον Εύδοξο: ) 10

11 Βιβλιογραφία Μαθήματος 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

12 Εκπαιδευτικό Υλικό e-class 12

13 Εκπαιδευτικό Λογισμικό TINA (Texas Instruments) QUCS (Quite Universal Circuit Simulator) DEEDS (Digital Electronics Education and Design Suite) Electric VLSI Design System ModelSim 13

14 Υπολογιστές Με τον όρο υπολογιστής αναφερόμαστε στη συσκευή (όχι κατ ανάγκη ηλεκτρονική) η οποία εξειδικεύεται στην εκτέλεση αριθμητικών και λογικών πράξεων και υπολογισμών. Ηλεκτρονικοί υπολογιστές Στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές η πληροφορία μεταφέρεται μέσω ηλεκτρικών φορέων (ηλεκτρονίων ή οπών). Διακρίνονται σε αναλογικούς και σε ψηφιακούς. 14

15 Αναλογικοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές κατασκευάζονται με τη χρήση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, με επικρατέστερα τα κυκλώματα των τελεστικών ενισχυτών. Μειονεκτήματα εστιάζουν στην επίλυση ενός συγκεκριμένου προβλήματος, γεγονός που τους καθιστά κυκλώματα ειδικού σκοπού, και τους στερεί τη δυνατότητα του προγραμματισμού. Μεγάλος όγκος και βάρος 15

16 Κβαντικοί υπολογιστές Η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο Θεωρητικά αλλά και πρακτικά ζητήματα θα πρέπει να επιλυθούν προκειμένου να καταστεί δυνατή η κατασκευή εμπορικά αξιοποιήσιμων συστημάτων. Στους κβαντικούς υπολογιστές η πληροφορία κωδικοποιείται με τη βοήθεια των κβαντικών ιδιοτήτων των στοιχειωδών σωματίων. Χρησιμοποιούν την έννοια του κβαντικού bit qbit για το οποίο ισχύει η αρχή της υπέρθεσης των καταστάσεων 16

17 Οπτικοί Υπολογιστές Η πληροφορία προς επεξεργασία μεταφέρεται μέσω φωτονίων. Παρόλο που η χρήση φωτονίων υπόσχεται πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα επεξεργασίας της πληροφορίας σε σχέση με τους συμβατικούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές, η πρακτικά αξιοποιήσιμη κατασκευή αμιγώς οπτικών υπολογιστών αντιμετωπίζει ανυπέρβλητα προς το παρόν προβλήματα, όπως ο μεγάλος όγκος των συσκευών παραγωγής των φωτονίων (π.χ. lasers), η υψηλή κατανάλωση ισχύος, και το αντίστοιχα υψηλό κόστος κατασκευής. 17

18 Ψηφιακοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές Λειτουργούν με διακριτές τιμές τάσης εισόδου, ενώ μπορούν να επιλύσουν μεγάλο εύρος διαφορετικών προβλημάτων, μέσω της διαδικασίας του προγραμματισμού Η εξασφάλιση διακριτών τιμών τάσης εισόδου, η οποία απλοποιεί εξαιρετικά την υλοποίηση των αντίστοιχων κυκλωμάτων, γίνεται δυνατή με την αναπαράσταση της πληροφορίας η οποία τροφοδοτείται σε έναν ψηφιακό ηλεκτρονικό υπολογιστή σε δυαδική μορφή. η αναπαράσταση της προς επεξεργασία πληροφορίας γίνεται με αποκλειστική χρήση των ψηφίων (bits) 0 και 1 18

19 Αναλογικά και ψηφιακά σήματα Με τον όρο σήμα εννοούμε ένα ηλεκτρικό μέγεθος (π.χ. τάση ή ένταση του ρεύματος) το οποίο μεταβάλλεται με το χρόνο και εμπεριέχει, επομένως, πληροφορία. Το αναλογικό σήμα παράγεται από φυσικές πηγές. Το ψηφιακό σήμα αποτελεί ανθρώπινη επινόηση και αποτελείται από κατάλληλα κωδικοποιημένη αλληλουχία ψηφίων 0 και 1 που ονομάζονται λογικές στάθμες. 19

20 Αναλογικά και ψηφιακά σήματα 20

21 Ιστορική αναδρομή 19ος αιώνας : Coulomb, Volta, Ampère, Ohm, Faraday, Gauss, Maxwell στη θεωρητική θεμελίωση του ηλεκτρομαγνητισμού 20ος αιώνας : εφεύρεση της τριόδου ηλεκτρονικής λυχνίας από τον De Forest, η αξιοποίηση της οποίας,σε συνδυασμό με διατάξεις των Hertz και Marconi, άνοιξε τον δρόμο για την άνθηση των ραδιοεπικοινωνιών 21ος αιώνας: Bardeen, Brattain και Shockley πέτυχαν την υλοποίηση τριόδου σε κρύσταλλο ημιαγωγού. Η νέα διάταξη που πήρε την ονομασία τρανζίστορ επέτρεψε τη δραστική σμίκρυνση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, εγκαινιάζοντας τη μικροηλεκτρονική, με την κατασκευή του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος από τον Kilby μερικά χρόνια αργότερα. 21

22 Νόμος του Moore Ο αριθμός των transistor που περιέχει ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (πχ ένας επεξεργαστής) διπλασιάζεται κάθε 2 χρόνια Οι σημερινοί μικροεπεξεργαστές περιλαμβάνουν δισεκατομμύρια τρανζίστορ και καταλαμβάνουν επιφάνεια λίγων τετραγωνικών εκατοστών. Αν το τρανζίστορ δεν είχε εφευρεθεί, οι ίδιοι μικροεπεξεργαστές θα έπρεπε να καταλαμβάνουν επιφάνεια περίπου εκατό στρεμμάτων, αν κατασκευάζονταν με λυχνίες της μικρότερης δυνατής διατομής. 22

23 Transistor από το «transfer» [μεταφέρω] και «resistor» Το εύρος των εφαρμογών των διπολικών τρανζίστορ είναι τεράστιο. Η βασική του λειτουργία να συμπεριφέρεται ως ανοικτός διακόπτης στην αποκοπή και ως κλειστός στον κόρο την εκμεταλλευόμαστε για τη σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων. 23

24 FET τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (field effect transistors FETs) JFET (junction FET), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET), MESFET (Metal-SemiconductorFET), OFET(OrganicFET) FINFET (FIN FET) ( σημ.:fin= πτερύγιο) 24

25 MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor FET ή MOS Πλεονεκτήματα Σε σύγκριση με το διπολικό τρανζίστορ ένα τρανζίστορ MOS κατασκευάζεται πολύ πιο εύκολα, ενώ καταλαμβάνει πολύ μικρότερο μέρος της επιφάνειας ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος Εξαιτίας της δομής τους,τα MOS είναι ηλεκτρικά απομονωμένα από το υπόστρωμα πάνω στο οποίο αναπτύσσονται (εξαιτίας των ανάστροφα πολωμένων επαφών p-n που σχηματίζουν) και άρα είναι και μεταξύ τους απομονωμένα. Μπορούν, επομένως,να τοποθετηθούν πολύ κοντά το ένα στο άλλο, χωρίς πρόβλημα αλληλεπίδρασης. 25

26 MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor FET ή MOS Πλεονεκτήματα Τα διπολικά τρανζίστορ η τοποθέτηση των οποίων είναι λιγότερο πυκνή και τα οποία, επιπλέον, απαιτούν την ανάπτυξη ειδικών περιοχών απομόνωσης, οι οποίες καλύπτουν ένα μεγάλο ποσοστό της επιφάνειας του ολοκληρωμένου κυκλώματος στο οποίο περιέχονται MOS είναι πως μπορούν να συνδεθούν σαν αντιστάσεις ή πυκνωτές, γεγονός που επιτρέπει την κατασκευή κυκλωμάτων που αποτελούνται αποκλειστικά από τρανζίστορ MOS 26

27 MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor FET ή MOS Μειονεκτήματα Η μέγιστη τάση λειτουργίας τέτοιων κυκλωμάτων είναι της τάξης των 10V και μπορούν να αποδώσουν μέγιστο ρεύμα της τάξης μερικών δεκάδων ma. Περιπτώσεις εφαρμογών μεγαλύτερης ισχύος αντιμετωπίζονται με MOSFET ειδικής κατασκευής (MOSFET ισχύος power MOSFETs) 27

28 MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor FET ή MOS Εφαρμογές Τα MOSFET βρίσκουν εφαρμογή στην κατασκευή αναλογικών και ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, αλλά ακόμη και ως διακριτά στοιχεία σε εφαρμογές ήχου μιας και η συμπεριφορά τους είναι αντίστοιχη των ηλεκτρονικών λυχνιών κενού, τις οποίες μπορούν και να υποκαταστήσουν. Ενδεικτικές εφαρμογές των τρανζίστορ MOS στη σχεδίαση αναλογικών κυκλωμάτων : ενισχυτές, καθρέφτες ρεύματος, πηγές ρεύματος κ.α 28

29 CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor FET Τα CMOS αποτελούνται από nmos και pmos (λεπτομέρειες σε επόμενα μαθήματα και επανάληψη στα κεφ 1-5 του βιβλίου Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική Γιάννης Λιαπέρδος, 2015) Η υλοποίηση CMOS εμφανίζει πολύ μικρότερη κατανάλωση ισχύος και μόνο όταν το κύκλωμα βρίσκεται σε δυναμική λειτουργία (κατά τη διάρκεια της μετάβασης της εξόδου από μια λογική κατάσταση στην άλλη) καθιστώντας την ιδανική για κυκλώματα που απαιτούν μικρή κατανάλωση ισχύος (π.χ. κυκλώματα φορητών υπολογιστών ή κινητών τηλεφώνων). 29

30 CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor FET Οι λογικές πύλες CMOS δεν απαιτούν τη χρήση αντιστάσεων, η υλοποίηση των οποίων σε ολοκληρωμένη μορφή απαιτεί μεγάλη επιφάνεια. Οι τιμές τάσης των λογικών σταθμών στην οικογένεια CMOS δεν αλλοιώνονται, καταναλώνουν ισχύ μόνο στη δυναμική λειτουργία και όχι στη στατική, με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν την μικρότερη κατανάλωση ισχύος σε σύγκριση με όλες τις υπόλοιπες λογικές οικογένειες. Οι μικρές διαστάσεις των τρανζίστορ MOS και η δυνατότητα κατασκευής τους σε πολύ μεγάλη πυκνότητα (εξαιτίας της ηλεκτρικής τους απομόνωσης) τα καθιστούν ιδανική επιλογή για την υλοποίηση ολοκληρωμένων ψηφιακών κυκλωμάτων εξαιρετικά μικρών διαστάσεων. 30

31 Τεχνολογία Αιχμής Γνωστή εταιρία κινητών συσκευών παρουσίασε (16/10/2016) το νέο της System on Chip, με αρχιτεκτονική 10 nm και τεχνολογία FinFET. Ο νέος επεξεργαστής προσφέρει κατά 30% καλύτερη εκμετάλλευση χώρου, σε σχέση με την αρχιτεκτονική των 14 nm, μείωση της κατανάλωσης ενέργειας 40%. Η απόδοση είναι αυξημένη κατά 27%. Το νέο chip μπαίνει σε μαζική παραγωγή και αναμένεται να δώσει νέα υπολογιστική ώθηση στον mobile κόσμο. Προσφέρει καλύτερη 3D κατασκευή των transistors, με την εταιρεία να παραδέχεται ότι εργάζεται ήδη πάνω στη δεύτερη γενιά των SoC 10 nm FinFET, Οι συσκευές με ενσωματωμένους τους νέους επεξεργαστές εκτιμάται ότι θα κάνουν την εμφάνισή τους στις αρχές του επόμενου έτους. 31

32 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 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. 32

33 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 33

34 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 34

35 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 35

36 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα Μικρές διαστάσεις Μεγαλύτερη ταχύτητα Μικρότερη κατανάλωση ισχύος 36

37 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 37

38 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 38

39 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 39

40 Ηλεκτρονική Λυχνία 1906 Ηλεκτρονική λυχνία κενού De Forest 40

41 Ενισχυτής ηλεκτρικής κιθάρας Λυχνίες EL84 τελική (ισχύος) 12ΑΧ7 (προενίσχυση) 41

42 Ενισχυτής audio Monoblock Τιμή στο Amazon : 9.270,00 $ 42

43 Το πρώτο transistor 1948 Transistor Bardeen, Brattain, Shockley 43

44 44

45 Ολοκληρωμένο Κύκλωμα 1958 Ολοκληρωμένο κύκλωμα Kilby Το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο εφευρέθηκε από τον Jack Kilby στην Texas Instruments το Περιελάμβανε μόνο ένα τρανζίστορ και τρεις αντιστάσεις και ένα πυκνωτή επάνω σε ένα τσιπ (φέτα) γερμανίου. 45

46 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. 46

47 Κλίμακα ολοκλήρωσης 47

48 Κωδική ονομασία Κάθε ολοκληρωμένο διακρίνεται από μια κωδική ονομασία (π.χ. LM741), η οποία χαράσσεται πάνω στο σώμα (στη συσκευασία) του κυκλώματος κατά την κατασκευή του. 48

49 Ακροδέκτες Ανάλογα με την πολυπλοκότητά του ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διαθέτει ορισμένο αριθμό ακροδεκτών (pins). Σε αυτούς περιλαμβάνονται ακροδέκτες εισόδου, εξόδου, τροφοδοσίας κ.λπ. Η λειτουργικότητα κάθε ακροδέκτη διαφέρει προφανώς για κάθε ολοκληρωμένο και παρέχεται από το φύλλο δεδομένων (data sheet). 49

50 Συσκευασία 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. 50

51 Συσκευασία DIP PLCC 51