630 likes | 812 Views
”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.
E N D
”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
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
Analogt kontra digitalt • Analogt • få komponenter • låg effekt • ”verkliga” signaler • Digitalt • Hög precision • Komplexare algoritmer • Lagringskapacitet • CD/DVD, MP3, Digitalkamera, • GSM, datorer, etc, etc
Vanligast Digitalt CMOS symboler NMOS PMOS drain gate source Bulken/Substratet förutsätts kopplat till GND/VDD om inget annat anges
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?
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
D I PMOS -5 -4 -3 -2 -1 V [V] DS VDD vin V =-3V GS V =-4V GS V =-5V GS
CMOS Inverterarenmed transistorn som switch V DD “hög” in a NMOS sluten PMOS öppen Ut kopplad till GND a “låg” GND
CMOS Inverterarenmed transistorn som switch V DD “låg” in a NMOS öppen PMOS sluten Ut kopplad till VDD a “hög” GND
CMOS Inverterarenmed transistorn som switch V DD D I GND
CMOS Inverteraren ”Verklig” Ideal
N-Well P-Channel N-Channel P-Substrate
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
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
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
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
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
& 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
NAND Two Input NAND/AND0.8 mCMOS Inverter
Logisk Funktion? Sanningstabell V DD A B UT A 0 0 0 1 1 0 B 1 1 UT A B GND
≥ 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
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
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
Integrerade kretsar av olika komplexitet Filter - 10000 Transistorer AND-Gate 6 Transistorer FFT - 1 Million Transistorer
Intel Pentium 4 (2000) 42 million transistors 0.18mm / 1.5GHz Och sen går vi bara vidare!
Moores Lag Antalet transistorer per chip dubbleras var år. (1965) Ändrar 1975 till vartannat år. Gordon Moore En av Intels grundare
Moores lag 2007 >2 milliarder transistor idag
Så vad är problemet? • Fysiken • Hastigheten • Effektförbrukningen Det är L som anger processen, t.ex. 45nm
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!
Effektförbrukningen V DD Charge Discharge Kvadraten gör att vi speciellt vill sänka VDDa långsammare kretsar
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.
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
Klockfrekvensen ökar inte längre http://www.tomshardware.com/reviews/ http://www.linuxjournal.com/article/9361 Vad gör vi? Vi går till multipla kärnor!
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
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.
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?
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.
Hur stor är ID vid avstängd? ln( IDS) Under tröskelspänningen IOFF VG VT Länge ignorerade man Ioff för de flesta tillämpningar.
Om vi sänker VDD måste vi sänka VT för att få hastighet. ln( IDS) Under tröskelspänningen IOFF VG VT …ochdåökarIoff!
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!
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
Utvecklingen av massminnen ETI 125 - Föreläsning 11
Utvecklingen av massminnen 5GB-1997 4GB US$199 120 GB US$179 Siffror från 2006 170MB-1990 ETI 125 - Föreläsning 11
Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: • ROM – Read Only Memory • RAM – Random Access Memory • FLASH
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