Μικροηλεκτρονική - VLSI

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Μικροηλεκτρονική - VLSI"

Ατρεύς Βαρνακιώτης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Μικροηλεκτρονική - VLSI Ενότητα 1: Εισαγωγή στη Σχεδίαση Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων Κυριάκης - Μπιτζάρος Ευστάθιος Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

4 Σκοπός Ενότητας Εισαγωγή και ιστορική αναδρομή στο σχεδιασμό και την υλοποίηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

5 Περιεχόμενα Ενότητας 1. Εισαγωγή 2. Το MOS τρανζίστορ ως διακόπτης 3. Κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων - Φυσικός σχεδιασµός (layout) - Κανόνες σχεδιασµού 4. Ο αντιστροφέας CMOS 5. Βασικές λογικές πύλες 6. Σύνθετες πύλες CMOS - ιάφοροι τύποι σχεδιασµού (logic styles) - Λογικές οικογένειες µε σήµατα χρονισµού 7. Ακολουθιακά κυκλώµατα - Στατικά flip-flops και latches - υναµικά flip-flops 8. Μεθοδολογίες σχεδιασµού-τύποι ολοκληρωµένων κυκλωµάτων

6 Εισαγωγή ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ: Διεπιστηµονικός τοµέας Ηλεκτρονική Φυσική Στερεάς Κατάστασης - Επιστήµη Υλικών Χηµεία Επιστήµη των Υπολογιστών Mαθηµατικά Βιολογία κ.α. Χαρακτηριστικά Ολοκληρωµένων Κυκλωµάτων Μεγάλη ταχύτητα Mεγάλη πολυπλοκότητα Μικρός όγκος Μεγάλη αξιοπιστία Μικρή κατανάλωση Ευφυία

7 Ιστορική Αναδρομή 1910: Εφεύρεση του πρώτου ηλεκτρονικού ενεργού στοιχείου (Ηλεκτρονική λυχνία κενού) : Ανάπτυξη της βασικής θεωρίας κυκλωµάτων Ανόρθωση Εξοµάλυνση Ενίσχυση ιαµόρφωση Ευστάθεια 1946: Κατασκευή του πρώτου ηλεκτρονικού στοιχείου στερεάς κατάστασης (δίοδος) και αµέσως µετά του διπολικού transistor από τον Schokley 1957: Κατασκευή του πρώτου Metal Oxide Semiconductor transistor στη Γαλλία βασισµένο σε ιδέα του Lindfield από το σήµερα: Ανάπτυξη των ψηφιακών O.K. Επανάκαµψη του αναλογικού σχεδιασµού Ο.Κ. αναλογικών-ψηφιακών σηµάτων Ολοκληρωµένα συστήµατα σε ένα chip (System on Chip, SoC)

8 Ο Μηχανισμός των Αντικυθύρων

9 The First Computer The Babbage Difference Engine (1832) 25,000 parts cost: 17,470

ENIAC - Ο πρώτος Η/Υ (1946) 18000 λυχνίες 1500 διακόπτες 200 KW 160 m2 Υπολογισμός τροχιάς

10 ENIAC - Ο πρώτος Η/Υ (1946) λυχνίες 1500 διακόπτες 200 KW 160 m2 Υπολογισμός τροχιάς βλήματος σε 30 αντί 20 ώρες Σχεδίαση ατομικής βόμβας ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)

11 ENIAC - Ο πρώτος Η/Υ (1946) 10-bit accumulator!! Προγραμματίζοντας τον ENIAC

12 Μερικοί από τους πρώτους Η/Υ ENIAC EDVAC ORDVAC BRLESC I&II

13 Σμίκρυνση των κυκλωμάτων...

14 The First Transistor Bipolar point-contact Bell Labs 1947

15 Τα πρώτα Ολοκληρωμένα Κύκλωματα Planar transistor 1958 TI 1961 First flip-flop, Fairchild & 1959 Fairchild 4 Trans, 5 Res, 0.06 in

16 Τα πρώτα Ολοκληρωμένα Κύκλωματα MOS IC (RCA, 1962) Op amp (Fairchild, 1965)

17 The MOS Transistor Μήκος καναλιού (L) Χαρακτηριστικό Τεχνολογίας Gate Oxide Field Oxide GATE N+ N+ P-type Source/Drain Regions Field Oxide

18 Intel 4004 Micro-Processor

19 Intel Pentium (II) microprocessor

20 Intel Pentium (IV) microprocessor

21 System on Chip (SoC)

22 O νόμος του Moore , G. Moore, Ο αριθμός των τρανζίστορ στα Ο.Κ. διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες

23 O νόμος του Moore -2

24 Παραγωγή ανά έτος & τεχνολογία

25 Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Τα O.K. χαρακτηρίζονται από: Υψηλή απόδοση σε συγκεκριµένη εφαρµογή ή πεδίο εφαρµογών Συγκεκριµένη λειτουργικότητα (functionality) ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑΤΑ: MPEG Coder FIR filter processor Μετρητής Απόστασης µε LASER Ελεγχος Φόρτισης Μπαταριών από Ηλιακά Κύτταρα Ο.Κ. σε κάρτες προσωπικών υπολογιστών (κάρτα δικτύου, γραφικών, motherboard, κλπ)

26 Πλεονεκτήματα χρήσης Ο.Κ. Αντικατάσταση µεγάλου αριθµoύ διακριτών στοιχείων µε ελαχιστοποίηση του µεγέθους του συστήµατος αύξηση της ταχύτητας µείωση της κατανάλωσης ισχύος ελαχιστοποίηση των διατάξεων ψύξης αύξηση της αξιοπιστίας µείωση του κόστους του συστήµατος υνατότητα ενσωµάτωσης ιδιαίτερων λειτουργιών αποτέλεσµα: Εξασφάλιση από πιθανή αντιγραφή Μείωση του χρόνου ανάπτυξης του συστήµατος και επιτάχυνση της διάθεσής του στην αγορά

27 Μειονεκτήματα χρήσης Ο.Κ. Στατιστικά το 50% των ASIC αποτυγχάνουν να λειτουργήσουν σωστά την πρώτη φορά Πιθανή ανατροπή του χρονοδιαγράµµατος λόγω ανάγκης επανάληψης της διαδικασίας σχεδιασµού /κατασκευής Δυσκολία στον έλεγχο και στην εξεύρεση λαθών Υψηλό κόστος πρωτοτυποποίησης Ο όγκος παραγωγής µπορεί να µην ξεπεράσει την κρίσιμη ποσότητα

29 Μεθοδολογία Σχεδιασμού Ο.Κ.

30 Μεθοδολογία Σχεδιασμού Ο.Κ. Pre-Layout Simulation Design Capture HDL Logic Synthesis Behavioral Structural Post-Layout Simulation Circuit Extraction Floorplanning Placement Routing Physical Tape-out

31 ΕΞΕΛΙΞΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ

32 ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΗΤΑ/ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟ ΤΗΤΑ 10,000,000 10,000 1,000,000 1, , Logic Tr./Chip Tr./Staff Month. 100,000,000 10,000,000 1,000,000 10, %/Yr. compounded Complexity growth rate 100,000 1, , x x x x x x x x 21%/Yr. compound Productivity growth rate 1,

33 Στοιχεία Ολοκληρωμένων Κυκλώματων Transistors Απαιτούν υπόβαθρο πυριτίου και πηγάδια Διαχύσεις (n και p τύπου) (difusion) Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (polysilicon) Ηλεκτρικές διασυνδέσεις Πολλά επίπεδα μετάλλου (αλουμίνιο, χαλκός) Διηλεκτρικό μεταξύ των μετάλλων (SiO 2, low-k) Επαφές μεταξύ διαφορετικών επιπέδων (Τρύπες στο διηλεκτρικό)

34 Διαδικασία Κατασκευής Ο.Κ.

35 Φωτολιθογραφική Διαδικασία oxidation optical mask photoresist removal (ashing) photoresist coating stepper exposure process step Typical operations in a single photolithographic cycle (from [Fullman]). spin, rinse, dry acid etch photoresist development

36 Processed wafer Single die Wafer

37 Processed wafer Intel Pentium 4 Intel Itanium

38 A/D Process cross-section nwell pwell Field oxide p- substrate p- epi p+ substrate

39 Advanced Metalization

40 IC Packages Single chip packages Multi-chip module (MCM)

41 3-D Integration

42 MOEMS

43 Τέλος Ενότητας

Σχετικά έγγραφα

Μικροηλεκτρονική - VLSI

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Μικροηλεκτρονική - VLSI Ενότητα 3: Εισαγωγή στη Διαδικασία Κατασκευής (CMOS Processing) Κυριάκης - Μπιτζάρος Ευστάθιος Τμήμα Ηλεκτρονικών