Μικροηλεκτρονική - VLSI

Ενότητα 1: Εισαγωγή στη Σχεδίαση Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων

Κυριάκης - Μπιτζάρος Ευστάθιος Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα

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.

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.

Σκοπός Ενότητας

Εισαγωγή και ιστορική αναδρομή στο σχεδιασμό και την υλοποίηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

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

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

Ιστορική Αναδρομή 1910: Εφεύρεση του πρώτου ηλεκτρονικού ενεργού στοιχείου (Ηλεκτρονική λυχνία κενού) 1920-1940: 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 1927 1985-σήµερα: − Ανάπτυξη των ψηφιακών O.K. − Επανάκαµψη του αναλογικού σχεδιασµού − Ο.Κ. αναλογικών-ψηφιακών σηµάτων − Ολοκληρωµένα συστήµατα σε ένα chip (System on Chip, SoC)

Ο Μηχανισμός των Αντικυθύρων

The First Computer

The BabbageDifference Engine(1832)25,000 partscost: £17,470

ENIAC - Ο πρώτος Η/Υ (1946) 18000 λυχνίες

1500 διακόπτες

200 KW

160 m2

Υπολογισμός τροχιάς βλήματος σε 30’’ αντί 20 ώρες

Σχεδίαση ατομικής βόμβας

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)

ENIAC - Ο πρώτος Η/Υ (1946)

10-bit accumulator!!

Προγραμματίζοντας τον ENIAC

Μερικοί από τους πρώτους Η/Υ

ENIAC EDVAC 1946 1948 ORDVAC BRLESC I&II 1952 1962

Σμίκρυνση των κυκλωμάτων...

The First Transistor

Bipolar point-contact

Bell Labs 1947

Τα πρώτα Ολοκληρωμένα Κύκλωματα

Planar transistor 1958 TI 1961 First flip-flop, Fairchild

& 1959 Fairchild 4 Trans, 5 Res, 0.06 in

http://smithsonianchips.si.edu/augarten/index.htm

MOS IC (RCA, 1962) Op amp (Fairchild, 1965)

http://smithsonianchips.si.edu/augarten/index.htm

Τα πρώτα Ολοκληρωμένα Κύκλωματα

The MOS Transistor Μήκος καναλιού (L) Χαρακτηριστικό Τεχνολογίας

Gate Oxide

Field Oxide

Field Oxide

Source/Drain Regions P-type

N+ N+ GATE

Intel 4004 Micro-Processor

Intel Pentium (II) microprocessor

Intel Pentium (IV) microprocessor

System on Chip (SoC)

O νόμος του Moore -1

1965, G. Moore, Ο αριθμός των τρανζίστορ στα Ο.Κ. διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες http://www.intel.com/technology/mooreslaw/

O νόμος του Moore -2

Παραγωγή ανά έτος & τεχνολογία

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)

Πλεονεκτήματα χρήσης Ο.Κ. • Αντικατάσταση µεγάλου αριθµoύ διακριτών στοιχείων µε αποτέλεσµα:

− 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

• Εξασφάλιση από πιθανή αντιγραφή

• Μείωση του χρόνου ανάπτυξης του συστήµατος και επιτάχυνση της διάθεσής του στην αγορά

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

Μεθοδολογία Σχεδιασμού Ο.Κ.

Μεθοδολογία Σχεδιασμού Ο.Κ.

HDL

Logic Synthesis

Floorplanning

Placement

Routing

Tape-out

Circuit Extraction

Pre-Layout Simulation

Post-Layout Simulation

Structural

Physical

Behavioral Design Capture

ΕΞΕΛΙΞΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ

ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΗΤΑ/ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ

1

10

100

1,000

10,000

100,000

1,000,000

10,000,000

10

100

1,000

10,000

100,000

1,000,000

10,000,000

100,000,000

Logic Tr./Chip Tr./Staff Month.

x x x

x x x

x 21%/Yr. compound

Productivity growth rate

x

58%/Yr. compounded Complexity growth rate

10,000

1,000

100

10

1

0.1

0.01

0.001 0.01

0.1

1

10

100

1,000

10,000

100,000

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 (SiO2, low-k) • Επαφές μεταξύ διαφορετικών επιπέδων (Τρύπες στο

διηλεκτρικό)

Διαδικασία Κατασκευής Ο.Κ.

Φωτολιθογραφική Διαδικασία

oxidation

optical mask

process step

photoresist coating photoresist removal (ashing)

spin, rinse, dry acid etch

photoresist

stepper exposure

development

Typical operations in a single photolithographic cycle (from [Fullman]).

Processed wafer

Single die

Wafer

Processed wafer

Intel® Pentium® 4 Intel® Itanium®

A/D Process cross-section

p- epi

p+ substrate

p- substrate

Field oxide pwell nwell

Advanced Metalization

IC Packages

Single chip packages Multi-chip module (MCM)

3-D Integration

http://lsm.epfl.ch/page-52814-en.html

MOEMS

Τέλος Ενότητας