Microelectronics 1

• Történelem• Planar techn.• Dinamikus – kapacitív tárolás• Küszöbfeszültség instabilitás – analóg…• CODEC – telefónia• EPROM – floating gate• Mikroprocesszor, memóriák• Gordon Moore• Scale-down• Áramkör-elmélet (kódolás, szűrés, etc.)• Analogic• „electronic grade”• Team – tudományágak• „Intellectual property”, IP

Microelectronics 2

TGSDS VUU

TGSDS VUU

:ha

:ha

2

UUVUKI

2DS

DSTGSD

2TGSD VU

2

KI

DSDSTGSD UUVUKI

)( ///0

TUdbUTUsbUTUgbUd eeeII

csatorna

Drain

polysilicon gate

gate-oxid Gate

p-szubsztrát

Source

n+ n+

Rövidcsatornás „telítéses” üzem:

Küszöbfeszültség alatti működés:

Microelectronics 3

• Szubsztrát visszahatás

B

A CpT1

T2

ΔVth=0,5 Usb 1/2

Usb

Microelectronics 4

Drain

Gate Szubsztrát

Source

Cdb

Cgb

CsbCgs

Cgd

Parazita elemek

Microelectronics 5

• Latch-up

n-zseb

D

nMOS-tranzisztor

p+

G

p-szubsztrát

S

n+

pMOS-tranzisztor

G

S D

Latch-up

Microelectronics 6

Ugs’

Csb

Gate

Source Drain

Idb

Bulk (szubsztrát)

Cgb Cdb

Cgd

Cgs

rs rdgmUgs’

ri

rg

D1 D2

Microelectronics 7

• Vertikális tranzisztor

Gate

SourceDrain

Szubsztrát

Hordozó

n+

pn+

p

L

Microelectronics 8

• Silicon-on-Sapphire, SOS

n-adalékolt drain réteg

Csatorna a p-szubsztrátban

Nincsparazita

n-adalékolt source réteg

poliszilicium gate réteg

Gate oxidréteg

UG

US UD

Szigetelt hordozópl. zafír

Microelectronics 9

• Integrált bipoláris tranzisztor

KollektorEmitter Bázis

p-bázis

p-szubsztrát

n+-emitter

n-kollektor n+-kollektor eltemetett réteg

n+-kollektor hozzávezetés

Microelectronics 10

Tokozások MCM, szendvics-szerkezet (mikrohullámú összeköttetések)

1. VLSI chip

2. VLSI chip

3. VLSI chip

Kerámia hordozó

Tokozás

Microelectronics 11

• Kaszkád feszültségkapcsolt logika

(Cascade Voltage Switch Logic, CVSL)

VDD

T2 T1

T4 T3

Q Q

A A

Ellentétes (differenciális)vezérlés

Ha bemenetek=lebeg, akkor kapacitív tárolás)

VDD

T2 T1

T4 T3

Q Q

D D

CLK

Microelectronics 12

• Logikai családok

statikus CMOS

dinamikus CMOS (Domino)

transzfer gates

áramkapcsolt (CML)

kaszkád feszültség-kapcsolt (CVSL)

emittercsatolt (ECL)

BiCMOS

adiabatikus, retractile

Microelectronics 13

n n

p

p

Vcc

Y=A +B

C t

B

A

1. Statikus CMOS logika.

Vcc

Y=A.B

n

n

n

pELŐTÖLTÉS

B

A C ki

KIÉRTÉKELÉS

2. Dinamikus CMOS logika.

Logikai családok

M

T2

T1

A C2

VCC

C1D

E

F B

Y1

Y2

3. Több-kimenetű Dinamikus CMOS logika.

Microelectronics 14

p

p

n

n

Y=A B

A

A

B

R1

A UrefB Y=A . B

Vcc

R2

4. Transzfer-gates logika.

5. Emittercsatolt logika.

Microelectronics 15

n

pT1

Q1

n

nQ2

Ct

Vcc

T2

T3

T4

A

A

6. BiCMOS logika

Microelectronics 16

Vcc

p

A

Ct

A

n

CMOS alapinverter

A·B+C·D

D

A C

VDD

B URefURef

R1

7. Current Mode Logic, CML

Microelectronics 17

Microelectronics 18

Statikus RS-tároló.

T1

n n

Q

C2

Q

n

pp

nC1

SETRESET

VCC

Brute force!!!

Microelectronics 19

CparazitaVcc

Y=A. B

n

n

n

p

B

A

C ki

Statikusinverter

A.B A.B

B

AC1

C2

D

C3

Y=A.B.D

DOMINO CMOS dinamikus, egyfázisú logika

VccVcc

Vcc

nMOS logika

DOMINO CMOS fokozatokösszekapcsolása statikus inverterrel

Microelectronics 20

• GHz-es CMOS logikák

időzítés – fázisjelek

deskew áramkörök

jel-regenerálás, átmeneti tárolók

(transzparens latch-ek)

differenciális jel-vezetés

Microelectronics 21

• Gyors beírású, a kimeneten megfogott D-tároló

Q

C1C2

VDD

D

T4

T2

VDD

T7

T5

T1

CLKM

CLK

CLK

CLK

T3 T6

QI1 I2 I3

Microelectronics 22

Memóriák

Microelectronics 23

VCC

p p

n n

n

word line

read writeread write

n

bit line bit line

6-tranzisztoros statikus tároló cella

Microelectronics 24

p p

n n

n nQ

Q

1

2V ref

senseamplifier

out

EEV-

V- EE

Read Word Line

Write Word Line

Read Bit LIne

ECL kiolvasású 6-tranzisztoros tároló cella

Microelectronics 25

• Duál-port RAM

VCC BL

1

BL

2

BL1BL

2

WL

1WL

2

Microelectronics 26

• Áramtükrös SRAM kiolvasó erősítő

T4

Bit Bit Oszlop szelektálás

T1 T2

T5

Adat ki

VDD

Φ

T3

T6

UG VDD, nincs áramΦ fázisjel nyitja T7-et, kiválasztjuk az oszlopot,ΔU feszültségek lépnek fel,T1, T2 az „erősítőre” kapcsol,T5 nyit, T6 zárva marad,UG →0, Adat ki = VDD,ui. T4 árama=0 kell legyen.

Ha fordítva, akkor T6 nyit,T4 zárva, ezért Adat ki =0, nincsmunkaellenállás!T5 zár, ezért UG=VDD.

végül Φ→0, T7 lezár,

T7

UG

+ΔU ΔU=0

T7

Microelectronics 27

Billenőkörös kiolvasó erősítők

T6

VDD

Memóriacellák

T10

Bit Bit

Φ

Oszlop szelektálás

T1 T2

T3 T4

VDD

Φ

T5

T7 T8

T9

X Y

Bit Bit

Oszlop

Φ

WL

T5 T6

T7 T8

T9

X Y

T3 T4

T1 T2

T11

Φ Φ

Adat kiAdat ki

a) b)

metastabil

Kis felhúzó áram

Földelés

Ittvezérel,nyitva, de I=0

VDD-10mV

Microelectronics 28

• ECL sordekóder

A0

URef

Q1

Q2

CL

VDD

ECL –MOS Translator

VDD

Microelectronics 29

• 3-tranzisztoros dinamikus (analóg) cella

CS

T3

Kimeneti vonal (invertált)

Read

T2

T1

Write

Bemeneti vonal

Analóg áramkörök: aritmetikához

Microelectronics 30

1-tranzisztoros dinamikus RAM cella

word line

bit line

read amplifier

CS CBL

SBL

SrefSBL CC

CUUU

)(

Microelectronics 31

p p

n n

Prech Prech

Vref V

ref

Vref

Prech

Strobe1

Strobe2Word line

Dummy

Word line

bitlinebitline

Cs

Dummy cell

C 1C 2

Dinamikus RAM cella kiolvasó erősítő

Microelectronics 32

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8

Sor-cím Oszlop-cím

Burst kezdete

RAS

CAS

Clock

Cím

Adat

Latency

Szinkron DRAM ütemezése

Régi DRAM: aszinkron. Itt processzor tudja latency-t, és akkor olvas ki.

Microelectronics 33

BANK0

* *2K 256 16

sense amplifiers

I/O gating

DQM mask logic

columnaddress

latch

columnaddressbuffer

burstcounter

controllogic

CDrow

decoder

columndecoder

addressregister

rowaddressmultiplexer

refreshcounter

refreshcontroller

mode reg.commanddecoder

CKL

CKE

CS

WE

CAS

RAS

A0-A10

BA sense amplifiersI/O gating

DQM mask logic

datainput

register

data

registeroutput

D0-D15

DML, DMH

memory array

memory arrayBANK1

* *2K 256 16

rowaddress

latch

rowaddresslatch

rowdecoder

2

2048

2048

256x16

256x16

256

256

MUX

B

D

DL

L

CL

R

11

16 Mbit (1Mx16)

SDRAM

Microelectronics 34

• DDR (Double Data Rate)-RAM• EDO-RAM (kimeneti tároló, közben címek)• Beágyazott RAM-ok: dual oxide technique• RAMBUS• SAM• Video RAM

Microelectronics 35

Vezérlő gate

Source

Lebegő (floating) gate

Drain

Csatorna

UV-EPROM cella

Kapacitív osztó,Lavina-hatás(hot elektron)

Microelectronics 36

Klasszikus EEPROM cella

n+ n+

Control gate

S D

tunnel oxid

+12V

0 V +12V

+12V

WRITE ERASE READ

0 VURead

+5V

+5V

+

from gate

(Tunnelezés a drain-ről)

to gate

Kapcsolótranzisztor

Microelectronics 37

0 V

+12V

Törlés: minden source → +12V, electronok: vissza source-ba

Bit line

Word line

Közös föld

D

Sn+

S D

tunnel oxid

Word line

n+

Flash memória cella

Microelectronics 38

Drain Source

Control gate

n n

Forró elektronok

Alagút-hatás

S

D

+5V

GND

+12V

S

D

+12V

GND

GND

a/ b/ c/

Split-gate EEPROM cella

Microelectronics 39

• NOR-rendszerű Flash memória

2. Bit-vonal1. Bit-vonal

WL0

WL1

WL14

WL15

Közös source

Helyfoglalás

Write: source=0, BL=high,WL=+U

Erase: közös source =+U,WL= -U, BL=lebegegyszerre a blokk

Read: source=0, drain=R,WL=cím

Microelectronics 40

NAND-rendszerű Flash memória struktúraJó helykihasználás, lassú (soros)

Write (Tx): BLx szelektálás Source szelektálás, KS=0 BLx=0 WLx= ++U, a többi +U csatorna mindenütt, tunnel Tx

Erase: zseb=++U, összes WL=0 minden cella törlődik

Read (read-through, „cellákon át”): BL, KS szelektálás Source=0, BL= pull-up WL (nem Tx)=normál csatorna WLx=0, kiolvasás függ lebegő gate-től

Sor- dekóder

2. Bit-vonal

Bit-vonal szelektálás

Közös source szelektálás (KS)

1. Bit-vonal

WL0

WL1

WL14 (WLX)

WL15

Közös source

TX

(BLX)

Microelectronics 41

• Programozott kapcsolóFPGA, redundáns memória, A/D kalibrálás

T2

T1

S

D

A

B

UVez

Programozás

Közös lebegő gate

Kapcsoló

B

A

rds

Microelectronics 42

F

VSS

F2

1

F 1

VDD

A

A

A

F 1

VSS

fém

poly

poly

poly

polyfém

fém

fém

szóvonal

0

1A1

2

A2

A 0

A 0 A1A2

VSS

F 1

F 1

F2

F 1

VDD

VDD

szóvonal

Dinamikus sordekóder elrendezése

Microelectronics 43

8K x 9bitSRAM

TAG-RAM DATA-RAM

BANK

decoder

comparator

MISS

HIT

CPUdatabus

Main

Memory

9 bit

program counter

13

9

HIT / MISS

Cache-Tag memória struktúra

Microelectronics 44

Cache memóriákHierarchikus memória-felépítés:

L1I, L1D utasítás és adat-memória

L2

L3

Main memory

Disc

L1 utasítás cache és fetch

utasítás queue Ugrás jóslás

Regiszter- és stack-kezelés

Elágazás regiszterek

Busz vezérlő és ECC

Egészszám regiszterek

Lebegőpontos regiszterek

Lebegő- pontos egység

Integer és multimédia egység

L1- adat cache

L3

cach

e

L2

cac

he

Elágazás egység

Microelectronics 45

A/D átalakítók

Microelectronics 46

R/2 +

8-bites flash A/D átalakító

0

0

1

1

Uref

R

R

R

R/2

ROM 256 8bit

D0 D7

higany

‘Thermometer’

Ube

XOR

+

+

+

Microelectronics 47

K1

Aláosztásos (subranging) A/D átalakító

Mintavétel éstartás

D/A

Ube

Flash konverter

Logika

Hibajelerősítő

Differencia-képző

Digitáliskimenet

Microelectronics 48

Telecom áramkörök

Microelectronics 49

1

16

1 16Ki

Be

Jel-utak kialakítása

Analóg átvitel:-Rotary-gépek- Crossbar- Mechanikus relék

- Elszigetelt tirisztorok

14. bemenet→2. kimenet

16x16-os kapcsoló-mátrix

Microelectronics 50

1

16

1

16

5

9

5

4

8

12

13

4

8

9

12

13

4x4

4x2 4x2

N1

1

16

1 16Kimenetek

Bemenetek

= 4

N2

=2

n=16

Kapcsoló-mátrix és felbontása2

1222

N

nNnNK

Egyidejűlegmax. nN2/N1

Microelectronics 51

Hibrid

Vett jel

Z0 lezáróellenállás

Adás

Csavart érpár

Áramirányok vételnél

Microelectronics 52

Control Data

S/H

REF DAC

Hold

Successive Approximation Register (SAR)

Control Register

MUX

InputRegister

GND VCC

Analóg ki

Analóg be

Keret szinkron

PCM Out Highway

CLK

Komp.

Kóder-dekóder (CODEC) áramkör

PCM In Highway

Microelectronics 53

8

21

6

54

3

7

Digitális bemenet

Analóg kimenet

Dinamika-expanzió exponenciális görbével

Microelectronics 54

ATM-hálózat kiépülése

Végpont Végpont

kérés

elfogadás

ATMkapcsoló

virtuális útvonal

A B

elfogadáselfogadás

elfogadás

kérés kérés

kérés

Használat előtt ki kell építeni a vonalat, minden csomag ezen, előzés nincs!VPI: azonos az úton, de sok VCI-t használ. Kis cella→ kis bufferek

Microelectronics 55

ATM packetGFC

VPI

VPI

VCIPT CLP

ADAT

FEJLÉC

bitek 8 7 6 5 4 3 2 1

1

2

3

4

5

6

53

byte-ok

.

.(48 Byte)

HEC

GFC (Generic Flow Control, Általános folyam vezérlő),VPI (Virtual Path identifier, Virtuális útvonal azonosító),VCI ( Virtual Channel Identifier, Virtuális csatorna azonosító), PT (Payload Type, Hasznos adat tipus), CLP (Cell Loss Priority, Cella elvesztés prioritás), HEC (Header Error Check, Fejléc hiba ellenőrzés).

Microelectronics 56

1. bemeneti memória

8. bemeneti memória

és

dual-port RAM

memóriakezelés

1. kimeneti memória

8. kimeneti memória

Kimeneti tárolók

és

bufferek

Bemenetitárolók

bufferek

8x4bemenet

Órajelek éskeretvezérlõk

8x4kimenet

12

32

12

32

Vezérlõ- jelek

vezérlőinterfész

8192 ATM cella

4

4

4

4

53byte SAM

prioritás

DRAM

frissítés

Ciklusidő = 26ns4-bites portra: 155 Mbit/s4 port összevonva.

622Mbit/s32 bites portra:1,25Gbit/s

Osztott memóriás (shared memory) ATM switch

Microelectronics 57

Scrambler áramkör

SR SR SRSR

+

+Ube

Uki

XOR kapu

Shift Regiszter

Microelectronics 58

Kódoló áramkör

1-bitkésleltetés

1-bitkésleltetés MUX

Kódoltbitfolyam

XOR kapu

Kódolatlan bitfolyam

n

n+1

++

+

Microelectronics 59

Trellis kódolás sémája

1/00

1/10

0/10

1/11

0/00

0/010/11

S00

S01

S10S10

S01

S00

S11 S111/00

n-edik állapot (n+1) -edik állapot

Microelectronics 60

Viterbi kódoló sémájaTSRSBM

)BMPM,BMPMmin(PM jn

jn

in

in1n

Microelectronics 61

ACS (Add-Compare-Sum) blokksémája

Komparálás

Szelektálás

+inBM

inPM

+jnBM

jnPM

1nPM

1nd összeadó

Microelectronics 62

Dekódolás a Trellis rács alapján

42

42

32

X

222

322

2

S00

S01

S10

S11

2

0

1

4

2

1

X

X

X

22

22

22

32

32

42

42

42

22

22

22

22 X

X

X X

X

X

1 1 0 0 1 00

11 10 10 11 11 1101

11 11 10 01 11 1100

Adat

Szimbólum

Vett szimbólum

32

32

Microelectronics 63

Analóg Trellis dekódoló

Ube+

C1

21a

C2

21b

C3

12a

C4

12b

Vdd

UG1

UG2

U1+ U2

+

1

2

1a

1b

2a

2b

Microelectronics 64

Analóg Viterbi dekódoló

T15

2

T10UR

UR

pMOSáramtükör

nMOS áramtükör

NMOS áramtükör

Analóg tároló

Analóg tároló

UDD

UDD

UDD

UDD

I2

T1

T3

T7

T4

T6

T9

T5T8

I1

A A

T2

T13

1

2

T11

T12

1

T14

B

Microelectronics 65

Jelút kapcsoló

MUX

1

2

n

vezérlõ

dekóder

1

2

n

MUX

DE

dual-port RAM

bemeneticellák

kimeneticellák

útvonal

Microelectronics 66

Batcher-Banyan kapcsoló.

1

2

3

4

5

6

7

0

bemenetek kimenetek

1

2

3

4

5

6

7

0

TG

TG

TG

TG

a)

b)

be ki

Ukapcs

Ukapcs

c)

Microelectronics 67

MLT-3

1 0001 1 11 1 1

0

+1

-1

Bitfolyam

c)

NRZIb)

a)Kettes alapú

1 0 0 01 1 1

NRZ

Manchester

Különbségi Manchester

a)

b)

c)

Bitfolyam

Microelectronics 68

010 0 11 0

0

+1

-1

0 0

Invertált AMI

1Bitfolyam

BER =Hibásan vett bitek száma

Összes adott bitek számaAmplitúdó

IdőNévleges logikai

"0'

Névleges logikai "1'

Microelectronics 69

TDx/Rx

GND

TX

RX

Ütközés

Vcc GND

Koaxiáliskábel

átvivő határfelület

(DTE)Adatvégződés

Közegélérési egység(MAU)

Gazdagép

DC/DC átalakító

62 bit 2 bit 6 bájt 6 bájt 2 bájt 4 bájt

Előhang SFDForrás

Hossz Adat FCSCélállomáscíme címe

46-1500 bájt

Microelectronics 70

.

.

.

.

.

Elválasztótranszformátor

Kétszer sodrott érpár+ 1 közös ér

illesztő-tag

közösmódusúszűrőtekercs

közös(föld)vezeték

vonalkiegyenlítő

Bináris/MLT-3

MLT-3/Binárisvisszakód

oló

vett jel

adás-jel

GND"K"

Transceiver chip

kódoló és meghajtó

Microelectronics 71

RF szűrő

Frekvenciaosztó

Oszcillátor

Demodulátor, processzor

1. keverő

Tükörelnyomás

Csatorna kiválasztásFrekvenciaosztó

2. keverő

Antenna LNATükörelnyomás

IF szűrő IF szűrő

)sin()sin( szcbe nk

Microelectronics 72

LS

Csub2

Cox1

Csub1

Cox2

Rsub1

RS

Rsub2

Cf

a) b)

Microelectronics 73

GS

Smbe C

LgR

GSSG CLL )[(

1

L1

T1

T2

Ube+

VCC

L3

L2

LG

T1Ube

LS

CGS

a) b)

Microelectronics 74

Uszab

VCC

L1

L8 C2

T1

T2

Uki+

Ube+ Ube

_

Uki_

VCC

VCCVCC

T3

T4

T7T6

T5T8

L7

L4

L6

L5

L3

L2

C1

UrefUref

Microelectronics 75

VDD

V1

UG1

L2

T2

L1

T1

UC V2

C1=2pF

UG

VCC=2.5V

L1

L2

L3

C2

Rn

T1

T2

Uki

Ube

C1=2pF

UG

VCC=2.5V

L1

L2

L3

C2

Rn

T1

T2

Uki

Ube

Microelectronics 76

osztóOszc.

Csatorna kiválasztásosztó

Csatorna kiválasztásosztó

LNA

PA

Alapsávi processzálástól

QAM mod/demod.

Mixer

Microelectronics 77

VDDL1

ULO2

T5 T6 T7 T8

URF

C1 Igen

UIF,IUIF,Q

T1

T2T3

T4

Microelectronics 78

9. Analóg áramkörök

Microelectronics 79

Analóg MOS kapcsoló helyettesítőképe

Cg s

S DKrsd

Ube

Cg d

Cd bCs b

G

Ct

Uki

0 5VVT,n VT,p

nMOS

pMOS

rON

Ube

Microelectronics 80

9. Neurális áramkörök

Microelectronics 81

Ucontrol

US UD Utunnel

Lebegő gate Elektron injekció

Tunnelezés vissza

n+

poly

Microelectronics 82

Utunnel

Synapse11 Synapse12 Synapse13

UD

Isum

Ucontrol1 Ucontrol2 Ucontrol3

IS1IS2 IS3

(12-24V)

(0-5V)

(regulated)

T1 T2 T3

Microelectronics 83

yeNye2

yi

ye1

Wg2

Wi2Wi1

Wg1

WiN

WgN

WeNWe2We1

xNx1 x2

globális tiltó egység

N

jejgji

iijjejej

ywfy

ywxwfy

1

)(

Microelectronics 84

UG4

Vdd

Uin (j)

T1

VSSIj

UCOM

Uki (j)

pT2 T3

T4

VSS

p

T5UG5

SS

SSTG

jki V

VVUk

mIU 1

)(

212

44

)1()(2

2DSTGSD UVU

kI

21 )(2 COMTbej UVjUk

I

WTA áramkör

Microelectronics 85

Ucom

Ud(j)

T1

Ibe(j)

T2

Iki(j)

Ud(j+1)

T3

Ibe(j+1)

T4

Iki(j+1)

T5UG5

Icom

Microelectronics 86

U1 U3

U2

T1

U4

I1

U2

I2I4 I3

Io1

T2T3T4

Io2

Gilbert 4-negyedes analóg szorzó

2121 )UU(KI

2342 )UU(KI

2323 )UU(KI

2144 )UU(KI

)UU)(UU(K2II)II(II 24312o1o4321

Microelectronics 87

Rendszerszintű specifikáció

Regiszter-Transzfer szintű terv

Szintézis

Követelmények

Gyártási előírások

Microelectronics 88

Elképzelés

Specifikáció

Szimuláció

Viselkedés-szintű leírás

Logikai optimalizálás

Regiszter-szintű leírás

Layout tervezés

Tervezési szabály ellenőrzés

Elhelyezés és huzalozás

Layout extrakció

Szeletgyártás

Szerelés, tokozás, mérés

Behaviour level

RTL levelCella-könyvtár

Reuse

Place and Route

Design Rule Check

Silicon foundry

Microelectronics 89

• Nagy gyártók, élenjárás, technológiai kapcsolat• Tervező laborok Magyarország….• Logikai tervezés…CAD?• Áramkörelmélet• SOC: codevelopment, HW/SW• Cellakönyvtár: standard, vagy saját cella+reuse• Szinkron-aszinkron• Órajel szétosztás• Mikrohullám: induktivitás+tápvonal