1 / 63

”Digital” IC konstruktion

”Digital” IC konstruktion. Viktor Öwall. Transistorn: en förstärkare. Power Supply. Korrekt?. drain. gate. source. En transistor kan användas på många olika sätt, t.ex. för att förstärka en elektrisk signal. Energin måste tillföras från t.ex. ett spänningsaggregat. Ground.

shauna
Download Presentation

”Digital” IC konstruktion

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. ”Digital”IC konstruktion Viktor Öwall

  2. Transistorn: en förstärkare Power Supply Korrekt? drain gate source En transistor kan användas på många olika sätt, t.ex. för att förstärka en elektrisk signal. Energin måste tillföras från t.ex. ett spänningsaggregat. Ground

  3. Transistorn: en förstärkare Power Supply drain gate source En transistor kan användas på många olika sätt, t.ex. för att förstärka en elektrisk signal. Energin måste tillföras från t.ex. ett spänningsaggregat. Ground

  4. Analogt kontra digitalt • Analogt • få komponenter • låg effekt • ”verkliga” signaler • Digitalt • Hög precision • Komplexare algoritmer • Lagringskapacitet • CD/DVD, MP3, Digitalkamera, • GSM, datorer, etc, etc

  5. Vanligast Digitalt CMOS symboler NMOS PMOS drain gate source Bulken/Substratet förutsätts kopplat till GND/VDD om inget annat anges

  6. Gate Drain Source I d n+ n+ D I N-Channel p- Halvledarkomponent Elektriska förhållanden 1 2 3 4 5 V V [V] GS DS Digitalt - Switchar Småsignalmodell drain gate source Vad är en transistor?

  7. vin=“hög” a sluten vin=“låg” a öppen V [V] DS NMOS som switch V =5V GS vin V =4V GS D I V =3V GS 1 2 3 4 5

  8. D I PMOS -5 -4 -3 -2 -1 V [V] DS VDD vin V =-3V GS V =-4V GS V =-5V GS

  9. Digitala kretsarCMOS Inverteraren

  10. CMOS Inverterarenmed transistorn som switch V DD GND

  11. CMOS Inverterarenmed transistorn som switch V DD “hög” in a NMOS sluten PMOS öppen Ut kopplad till GND a “låg” GND

  12. CMOS Inverterarenmed transistorn som switch V DD “låg” in a NMOS öppen PMOS sluten Ut kopplad till VDD a “hög” GND

  13. CMOS Inverterarenmed transistorn som switch V DD D I GND

  14. CMOS Inverterarenmed transistorn som switch V DD GND

  15. CMOS Inverteraren ”Verklig” Ideal

  16. N-Well P-Channel N-Channel P-Substrate

  17. V DD A B A 1 B 1 GND 1 0 Logiska grindar, NAND Sanningstabell A B UT UT 0 0 0 1 1 0 1 1

  18. Logiska grindar V DD Sanningstabell A B A B UT UT 0 0 1 0 1 1 A 1 0 1 1 1 0 B GND

  19. Logiska grindar V DD Sanningstabell A B A B UT UT 0 0 1 0 1 1 A 1 0 1 1 1 0 B GND

  20. Logiska grindar V DD Sanningstabell A B A B UT UT 0 0 1 0 1 1 A 1 0 1 1 1 0 B GND

  21. Logiska grindar V DD Sanningstabell A B A B UT UT 0 0 1 0 1 1 A 1 0 1 1 1 0 B GND

  22. & V Logiska grindar DD A B f AND f A NAND B GND NAND + Inverter a AND A B NAND AND 0 0 0 1 Amerikansk 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 Europeisk

  23. NAND Two Input NAND/AND0.8 mCMOS Inverter

  24. Logisk Funktion? Sanningstabell V DD A B UT A 0 0 0 1 1 0 B 1 1 UT A B GND

  25. ≥ 1 Logisk Funktion: NOR Sanningstabell V DD A B UT A 0 0 1 0 1 0 1 0 0 B 1 1 0 UT A B GND Europeisk Amerikansk

  26. a a i+1 msb b b i+1 msb cout msb ...och nu en adderare lsb = least signifcant bit msb = most signifcant bit a b i i cin cin i msb cout i+1 minnessiffra 1 bit

  27. C B A B A A B B C A C S C A C A B B A B C B A C o Heladderare i CMOS, 1 bit V DD V DD V DD C S o V DD A och B: in C: minne in S: summa Co: minne ut

  28. 14 bitars adderare

  29. Integrerade kretsar av olika komplexitet Filter - 10000 Transistorer AND-Gate 6 Transistorer FFT - 1 Million Transistorer

  30. Intel Pentium 4 (2000) 42 million transistors 0.18mm / 1.5GHz Och sen går vi bara vidare!

  31. Moores Lag Antalet transistorer per chip dubbleras var år. (1965) Ändrar 1975 till vartannat år. Gordon Moore En av Intels grundare

  32. Moores lag 2007 >2 milliarder transistor idag

  33. Så vad är problemet? • Fysiken • Hastigheten • Effektförbrukningen Det är L som anger processen, t.ex. 45nm

  34. om Hastigheten Minskad kapacitans ger snabbare krets vilket kommer med ny process. Högre matningsspänning ger snabbare kretsar men transistorerna brinner upp och... Grov approximation idag!

  35. Effektförbrukningen V DD Charge Discharge Kvadraten gör att vi speciellt vill sänka VDDa långsammare kretsar

  36. Intel Pentium 4 (2000) 42 million transistors 0.18mm / 1.5GHz Kanske så här. Och hur bra funkar datorn då? Ofta mer än 50% av effekten i att ”fixa till” klockan. Klockning av processorer! Hur ser den ut här? Om jag skickar in en klocka här.

  37. Jämförelse: Den här ger ca 10 W/cm2. CPU power consumption Pentium IV chip area(i 130 nm technology) 1.3 cm2 Detta ger ca. 100 W/cm2 som måste transporteras bort, dvs säga kylning. www.xbitlabs.com

  38. Klockfrekvensen ökar inte längre http://www.tomshardware.com/reviews/ http://www.linuxjournal.com/article/9361 Vad gör vi? Vi går till multipla kärnor!

  39. From Intel presentation ISSCC, Feb´09 2008 1985 From: The New Era of Scaling in an SoC World, ISSCC 2009 Mark Bohr, Senior Fellow, Intel, Hillsboro, OR

  40. Några Multi-core processorer IBM/Sony/Toshiba Cell ISSCC 05, 234M trans. Intel KEROM dual core ISSCC 07, 290M trans. Fujitsu FR-V, 2005, 83M trans. Multi-core processorer där vi ökar beräkningskapaciteten utan att öka klockfrekvensen.

  41. vin=“låg” a öppen V [V] DS Ett annat problem:Hur avstängd är transistorn? V =5V GS V =4V GS D I V =3V GS 1 2 3 4 5 Dvs, hur stor är ID här?

  42. Från Nolle-föreläsningen Gate Source Drain Gate-oxid (isolerande) n + n + - p substrat N-kanal bildas när en positiv gate-source spänning, VGS, större än tröskelspänningen, VT, appliceras.

  43. Hur stor är ID vid avstängd? ln( IDS) Under tröskelspänningen IOFF VG VT Länge ignorerade man Ioff för de flesta tillämpningar.

  44. Om vi sänker VDD måste vi sänka VT för att få hastighet. ln( IDS) Under tröskelspänningen IOFF VG VT …ochdåökarIoff!

  45. Low VT IOFFL VTL VT skalning: VT/IOFF Trade-off Prestanda mot Läckströmmar: VT aIOFF ln( IDS) High VT IOFFH VTH VG När VTminskarökarhastigheten men läckströmmarnaökar!

  46. Snabbare Större Vanligtvis flera nivåer cache Transistor minnen Och så lite om minnen. • Oerhört viktig del i de flesta applikationer! • Stora minne blir långsamma a • I “datorer” har vi ofta en minneshirarki som möjliggör både • Stor lagringsvolymm och • Snabb access SSD - Solid State Drives ? CPU Registers + Cache L1 Main memory RAM Cache L2 Hard drive/disc/disk ETI 125 - Föreläsning 11

  47. Utvecklingen av massminnen ETI 125 - Föreläsning 11

  48. Utvecklingen av massminnen 5GB-1997 4GB US$199 120 GB US$179 Siffror från 2006 170MB-1990 ETI 125 - Föreläsning 11

  49. Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: • ROM – Read Only Memory • RAM – Random Access Memory • FLASH

  50. Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: • ROM – Read Only Memory • data är statisk • finns kvar när strömmen slås ifrån • RAM – Random Access Memory • data kan både läsas och skrivas • försvinner när strömmen slås ifrån • FLASH • data kan både läsas och skrivas • finns kvar när strömmen slås ifrån

More Related