ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Ύλη του μαθήματος Μικροηλεκτρονική-Τεχνολογία CMOS. Εισαγωγή στην οργάνωση και λειτουργία των υπολογιστικών συστημάτων. Εκπαιδευτικές αρχιτεκτονικές. Ζ80, MIPS. Αρχιτεκτονικές διαδεδομένων επεξεργαστών (8086/88,, Core 2, i3, i5, i7, i9). Αρχιτεκτονικές ARM. Αρχιτεκτονικές μικροϋπολογιστών τύπου PC (chipset, δίαυλοι, σήματα διακοπής, DMA). Αρχιτεκτονικές μικροελεγκτών AVR. Σύστημα Arduino. Αρχιτεκτονική Raspberry Pi. Τεχνολογίες ημιαγωγικών μνημών (SRAM, DRAM, EPROM, EEPROM, Flash). Συστήματα δευτερεύουσας μνήμης (HDD, SSD).

Σύστημα μνήμης των σύγχρονων υπολογιστών (Αρχιτεκτονικές main memory, cache memory, virtual memory). Μονάδες και συστήματα εισόδου-εξόδου. Κάρτες ήχου. Μονάδες γραφικών-gpu. Τεχνικές αύξησης της απόδοσης των σύγχρονων επεξεργαστών (SIMD, pipeline, superscalar, branch prediction). Αρχιτεκτονικές με πολλούς επεξεργαστές (SMP, NUMA, mesh network). Αρχιτεκτονικές επικοινωνιακών συστημάτων (switch, router).

Μικροηλεκτρονική Η μικροηλεκτρονική είναι περιοχή της ηλεκτρονικής που περιλαμβάνει την μελέτη και την κατασκευή πολύ μικρών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Αυτά τα εξαρτήματα κατάσκευάζονται κύρια με ημιαγωγούς. Πολλά εξαρτήματα της κλασσικής ηλεκτρονικής κατασκευάζονται σε μορφή κατάλληλη για μικροηλεκτρονικές υλοποιήσεις. Σε αυτά περιλαμβάνονται τρανζίστορ, πυκνωτές, πηνία, αντιστάσεις και δίοδοι. Τα ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα αποτελούνται κυρίως από τρανζίστορ.

Ολοκληρωμένα και τυπωμένα κυκλώματα Για την κατασκευή των υπολογιστικών συστημάτων χρησιμοποιούνται σήμερα ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία μαζί με άλλα εξαρτήματα συγκολλούνται πάνω σε τυπωμένα κυκλώματα. Ολοκληρωμένο κύκλωμα (Integrated Circuit ή IC) είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα κατασκευασμένο πάνω σε ένα τμήμα πυριτίου (Silicon ή Si) ή άλλου ημιαγωγού (semiconductor). Τα σύγχρονα τυπωμένα κυκλώματα (Printed Circuit Boards ή PCB) είναι τμήματα fiberglass πάνω στα οποία έχουν δημιουργηθεί συνδέσεις από επιχρυσωμένο χαλκό.

Ολοκληρωμένα κυκλώματα

Δομή ολοκληρωμένου κυκλώματος

Wafer με ολοκληρωμένα κυκλώματα

Κατασκευή ολοκληρωμένου κυκλώματος

Wafer και ολοκληρωμένο κύκλωμα

Κατηγορίες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Small Scale Integration (SSI), where the number of transistors incorporated in a single IC chip is up to 100. Medium Scale Integration (MSI) where the number of transistors incorporated in a single IC chip is from 100 to 1000. Large Scale Integration (LSI) where the number of transistors incorporated in a single IC chip is from 1000 to 20,000. Very Large Scale Integration (VLSI) where the number of transistors incorporated in a single IC chip is from 20,000 to 10,000,000. Ultra Large Scale Integration (ULSI), where the number of transistors incorporated in a single IC chip is from 10,000,000 to 1,000,000,000.

Ολοκληρωμένο κύκλωμα SSI

Κυκλώματα SSI

Κύκλωμα MSI

Κύκλωμα LSI (Επεξεργαστής Ζ80)

Κύκλωμα VLSI

Κύκλωμα ULSI

Moore's law Moore's law is the observation that the number of transistors in a dense integrated circuit doubles approximately every two years. The observation is named after Gordon Moore, the cofounder of Intel and Fairchild Semiconductor, who in 1965 paper described a doubling every year in the number of components per integrated circuit, and projected this rate of growth would continue for at least another decade. In 1975, looking forward to the next decade, he revised the forecast to doubling every two years.

Κατηγορίες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

ASIC Τα ASIC (application-specific integrated circuits) είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα που κατασκευάζονται για μια ειδική χρήση και όχι για χρήση γενικού σκοπού. Καθώς με την πάροδο των χρόνων τα μεγέθη των εξαρτημάτων μειώνονται και τα εργαλεία σχεδίασης βελτιώνονται, η μέγιστη πολυπλοκότητα των ASIC αυξήθηκε από 5000 λογικές πύλες σε πάνω από 100 εκατομμύρια. Τα σύγχρονα ASIC πολλές φορές περικλείουν μικροελεγκτές, μονάδες μνήμης ROM, RAM, EEPROM, flash memory και άλλες μονάδες. Τέτοια ASICονομάζονται SoC (System on a Chip). Η σχεδίαση των ψηφιακών ASICs συχνά γίνεται με χρήση hardware description language (HDL), όπως οι Verilog και VHDL.

FPGA Τα field-programmable gate array (FPGA) είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα σχεδιασμένα ώστε να διαμορφώνονται από τον αγοραστή ή τον σχεδιαστή μετά την κατασκευή τους, εξ ου και η ονομασία "field-programmable". Η διαμόρφωση των FPGA καθορίζεται χρησιμοποιώντας μια γλώσσα περιγραφής υλικού (HDL) παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται στα ASIC. Τα FPGAs περιέχουν έναν πίνακα από programmable logic blocks και ένα ιεραρχικό σύστημα από "reconfigurable interconnects" το οποίο επιτρέπει να διασυνδέονται τα blocks.

IC construction

Τεχνολογία συγκόλλησης through hole

Τεχνολογία συγκόλλησης SMT SMT: Surface Mount Technology

Resistors A resistor is a passive two-terminal electrical component that implements electrical resistance as a circuit element. Resistors may be used to reduce current flow, and, at the same time, may act to lower voltage levels within circuits.

Ωμικές αντιστάσεις (through hole)

Αντιστάσεις SMD

Σχέσεις που συνδέουν την τάση (V), την ένταση (i), την αντίσταση (R) και την ισχύ (P) σε κύκλωμα με αντίσταση και πηγή τάσης.

Capacitor A capacitor is a passive element that stores energy in the form of an electric field. This field is the result of a separation of electric charge. The simplest capacitor consists of a pair of parallel conducting plates separated by a dielectric material. The dielectric material is an insulator that increases the capacitance as a result of permanent or induced electric dipoles in the material.

Capacitor types

Inductor An inductor is a passive energy storage element that stores energy in the form of a magnetic field. The simplest form of an inductor is a wire coil, which has a tendency to maintain a magnetic field once established.

Types of inductors

Inductors and capacitors on a motherboard

Αγωγιμότητα των μετάλλων

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Τα διάφορα στοιχεία της ύλης μπορούν να τα διακριθούν όσον αφορά την αγωγιμότητά τους, σε αγωγούς, μονωτές και ημιαγωγούς. Τα υλικά στα οποία βασίζεται η κατασκευή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι οι ημιαγωγοί. Οι ημιαγωγοί (semiconductors) διακρίνονται σε ενδογενείς ημιαγωγούς και σε ημιαγωγούς με προσμίξεις. Ενδογενείς ημιαγωγοί είναι το πυρίτιο (Si), το γερμάνιο (Ge), καθώς και άλλες ενώσεις. Οι ημιαγωγοί με προσμίξεις διακρίνονται σε τύπου n που η αγωγιμότητά τους οφείλεται κύρια σε ελεύθερα ηλεκτρόνια και ημιαγωγούς τύπου p που η αγωγιμότητά τους οφείλεται κύρια σε ηλεκτρονικές οπές.

Δομή του κρυστάλλου πυριτίου (Si)

Δομή ημιαγωγού πυριτίου (Si)

Ηλεκτρονικές οπές Στην φυσική στερεού σώματος οπή ηλεκτρονίου (electron hole) ή απλά οπή (hole) είναι η απουσία ηλεκτρονίου από ένα ομοιοπολικό δεσμό. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια τα οποία έχουν αρνητικό φορτίο οι οπές έχουν θετικό φορτίο του οποίου το μέγεθος είναι ίσο με αυτό του φορτίου των ηλεκτρονίων. Οι οπές ηλεκτρονίων είναι ένας από τους δύο τύπους φορέων φορτίου τα οποία είναι υπεύθυνα για την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος σε ημιαγωγούς. Οι οπές παίζουν σημαντικό ρόλο στην λειτουργία εξαρτημάτων όπως τα τρανζίστορ, οι δίοδοι.

Eνδογενής αγωγιμότητα πολωμένου κρυστάλλου πυριτίου η οποία οφείλεται σε ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές ηλεκτρονίων.

Ημιαγωγοί τύπου p και τύπου n Για την δημιουργία ημιαγωγών τύπου n συγκρυσταλλώνονται πεντασθενή άτομα οπότε δημιουργείται περίσσεια ελευθέρων ηλεκτρονίων. Για την δημιουργία ημιαγωγών τύπου p συγκρυσταλλώνονται τρισθσθενή άτομα οπότε δημιουργείται περίσσεια ηλεκτρονικών οπών.

Ημιαγωγοί Si με προσμίξεις Τύπου n Τύπου p

Δίοδος ημιαγωγού

Καμπύλη αγωγιμότητας διόδου ημιαγωγού

Δίοδος ημιαγωγού

Δίοδοι through hole και SMD - -

LED SMD +

Transistor Transistors are semiconductor device used to amplify or switch electronic signals and electrical power. It has three terminals. A voltage or current applied to one pair of the transistor's terminals changes the current through another pair of terminals. Because the controlled (output) power can be higher than the controlling (input) power, a transistor can amplify a signal. Today, some transistors are packaged individually, but many more are found embedded in integrated circuits.

Τύποι τρανζίστορ

Διπολικά τρανζίστορ npn και pnp

Bipolar transistor npn

Κάθετη τομή τρανζίστορ npn

Τρανζίστορ npn σε συνδεσμολογία λοινού εκπομπού

Λειτουργία του τρανζίστορ npn

Χαρακτηριστικές καμπύλες εξόδου τρανζίστορ npn

Το npn τρανζίστορ σαν διακόπτης (off)

Το npn τρανζίστορ σαν διακόπτης (on)

Τεχνολογία CMOS Η κατασκευή των σύγχρονων ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων βασίζεται σε τρανζίστορ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ή MOS (Metal Oxide Semiconductor) τρανζίστορ. Με τα MOS τρανζίστορ έγινε δυνατή η κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με πολύ μεγάλη πυκνότητα ολοκλήρωσης. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα p-channel MOS, ή PMOS και στην συνέχεια n-channel MOS ή NMOS τρανζίστορ. Η τεχνολογία που τελικά επικράτησε ήταν η CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) στην οποία χρησιμοποιείται κατάλληλος συνδυασμός από PMOS και NMOS τρανζίστορ. Η τεχνολογία CMOS λόγω των χαρακτηριστικών της έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της παγκόσμιας βιομηχανίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

NMOS και PMOS τρανζίστορ

NMOS και PMOS τρανζίστορ τριών ακροδεκτών

Το NMOS τρανζίστορ σαν διακόπτης (off)

1.1. Από τα κυκλώματα που δίδονται στην συνέχεια ποιο είναι ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) και ποιο τυπωμένο κύκλωμα (PCB).

1.2. Από τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που δίδονται στην συνέχεια ποιο είναι through hole και ποιο SMT. Through hole SMT

1.3. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα που δίδεται στην συνέχεια είναι τεχνολογίας through hole ή SMT. SMT

1.4. Στο ολοκληρωμένο κύκλωμα που δίδεται στην συνέχεια κάντε τις κατάλληλες συνδέσεις ώστε να δημιουργηθεί κύκλωμα που να υλοποιεί την λογική συνάρτηση f=x+yz.

1.5 Από τα ολοκληρωμένα που δίδονται στην συνέχεια ποιο αντιστοιχεί σε ASIC και ποιο σε FPGA.

1.6. Από τα εξαρτήματα που δίδονται στην συνέχεια ποιο είναι πηνίο, ποιο πυκνωτή και ποιο αντίσταση.

1.7. Αναφέρατε που οφείλετε η αγωγιμότητα στα μέταλλα. 1.8. Αναφέρατε που οφείλεται η αγωγιμότητα των καθαρών ημιαγωγών πυριτίου και που κύρια η αγωγιμότητα των ημιαγωγών τύπου p και που κύρια των ημιαγωγών τύπου n.

1.9. Από τους ημιαγωγούς που δίδονται στην συνέχεια σημειώστε ποιος είναι τύπου p και ποιος είναι τύπου n.

1.10. Υπολογίστε σε mα το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση του κυκλώματος που δίδεται στην συνέχεια καθώς και την ισχύ που καταναλώνεται σε αυτή (1 ma=10-3 A).

1. 11. Από τα εξαρτήματα που δίδονται στην συνέχεια ποιο είναι δίοδος και ποιο τρανζίστορ και ποιο LED.

1.12. Στην δίοδο που δίδεται στην συνέχεια σημειώστε τον αρνητικό ακροδέκτη και την φορά που άγει.

1.13 Στο LED που δίδεται στην συνέχεια σημειώστε τον θετικό ακροδέκτη

1.14. Να υπολογισθεί το ρεύμα που διαρρέει την δίοδο για R=330 Ohm όταν Vs=3.3 Volt. (Diode Voltage Drop, Vd=0.7 V)

1.15. Να υπολογισθεί το ρεύμα που διαρρέει τo LED για R=330 Ohm (Θεωρήστε το LED Voltage Drop Vd=2.0 V). R=330 Ω LED V=5 V

1.16. Από τα ηλεκτρονικά σύμβολα που δίδονται στην συνέχεια ποιο αντιστοιχεί σε διπολικό τρανζίστορ και ποιο σε MOS.

1.17. Από τα ηλεκτρονικά σύμβολα που δίδονται στην συνέχεια ποιο αντιστοιχεί σε ΝMOS και ποιο σε PMOS τριών ακροδεκτών.

1.18. Από τα εξαρτήματα που δίδονται στην συνέχεια, ποιο είναι δίοδος και πoιο τρανζίστορ.

1.19. Στα κυκλώματα που δίδονται στην συνέχεια εντοπίστε την δίοδο που άγει και αυτή που δεν άγει. R=330 Ω V=5 V R=330 Ω V=5 V

1.20 Στο κύκλωμα που δίδεται στην συνέχεια μαζί με τον πίνακα αληθείας του δώστε τις εξόδους του για Α=0, Β=1, C=0 G1=1, G2A=0, G2B=0 και για Α=0, Β=1, C=0 G1=0, G2A=0, G2B=0

1.21. Στο κύκλωμα που δίδεται στην συνέχεια υποθέστε ότι το τρανζίστορ είναι στον κόρο και υπολογίστε το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση R2. Στην συνέχεια υπολογίστε το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση R1 και εξετάστε αν αυτό είναι αρκετό για να εισέλθει το τρανζίστορ στον κόρο. Το τρανζίστορ 2N2222A current gain (hfe) τουλάχιστον 100 in optimal conditions.

Το ρεύμα που διαρρέει την βάση είναι V1 vbe (5 0.7)V 4.3 ib ma 430 A 3 R1 10 10 10 Το ρεύμα που διαρρέει τον συλλέκτη όταν είναι στον κόρο είναι V1 VCE Vd (5 0.2 0.7)V 4.1 4100 ib A ma 18.5mA R1 220 220 220 Για να οδηγηθεί το τρανζίστορ στον κόρο απαιτείται ρεύμα βάσης τουλάχιστον 18.5mA 185 A 100 που είναι κατά πολύ μικρότερο από το ρεύμα που διαρρέει την βάση. Επομένως το τρανζίστορ είναι στον κόρο.

1.22. Στα κυκλώματα που δίδονται στην συνέχεια σημειώστε ποιο MOS τρανζίστορ άγει και ποιο δεν άγει.

1.23 Να σχεδιασθεί κύκλωμα ένδειξης του 0 και του 1 με LED. Το LED να ανάβει για Vin=5V (λογικό 1). Vin +

1.24 Να σχεδιασθεί κύκλωμα παραγωγής του 0 και του 1 με διακόπτη ON/OFF. Αναφέρατε την τιμή της εξόδου του όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός και όταν είναι κλειστός. 5 Volt