Circuiti integrati u Costruzione di circuiti logici e

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Circuiti integrati u Costruzione di circuiti (logici e non) su un substrato di silicio.

Circuiti integrati u Costruzione di circuiti (logici e non) su un substrato di silicio. – Non solo la parte attiva ma anche le connessioni tra le porte. – Incredibile miglioramento nelle prestazioni, nell’affidabilita’ e nel costo dei circuiti 12/13/2021 1

Costruzione dei circuiti integrati u Il circuito viene trasportato su “maschere” fotografiche: molti chip

Costruzione dei circuiti integrati u Il circuito viene trasportato su “maschere” fotografiche: molti chip uguali insieme (wafer). u Il circuito viene, in molti passi, costruito aggiungendo e togliendo materiale in maniera selettiva u Ciascun circuito viene staccato dagli altri e provato. u Ciascun circuito viene inserito in un “package” e collegato ai piedini esterni. 12/13/2021 2

Esempi di maschere e wafer u Vedere 12/13/2021 Web del corso 3

Esempi di maschere e wafer u Vedere 12/13/2021 Web del corso 3

Tecnologia oggi u Commerciale: – dimensioni: 0. 18 m – Bit per chip (memorie)

Tecnologia oggi u Commerciale: – dimensioni: 0. 18 m – Bit per chip (memorie) 64 Mbit 12/13/2021 4

Esempi (Intel) 12/13/2021 5

Esempi (Intel) 12/13/2021 5

Legge di Moore 12/13/2021 6 (vedi sezione 1. 3. 1)

Legge di Moore 12/13/2021 6 (vedi sezione 1. 3. 1)

Fattori che limitano i miglioramenti della densita’ u litografia – il problema e’ il

Fattori che limitano i miglioramenti della densita’ u litografia – il problema e’ il costo, non la fattibilita’: – I dettagli non possono essere molto piu’ piccoli della lunghezza d’onda della luce usata » 0. 19 m e’ il limite inferiore se si usa “luce” » si puo’ arrivare a dimensioni inferiori usando i raggi x: Difficili da mettere a fuoco; u Costosi. u 12/13/2021 7

Fattori che limitano i miglioramenti della densita’ u Leggi fondamentali della fisica: – Ci

Fattori che limitano i miglioramenti della densita’ u Leggi fondamentali della fisica: – Ci deve essere un numero sufficiente di elettroni perche’ un circuito possa funzionare; » questo limite e’ stimato tra 0. 1 m e 0. 05 m. u Energia elettrica: – Fornire energia e rimuovere calore; » Ma maggiore e’ l’integrazione minore e’ il voltaggio e la dissipazione: forse questo non sara’ un problema. 12/13/2021 8

Classificazione u SSI 1 -10 porte --- non piu’ usati u MSI 10 -100

Classificazione u SSI 1 -10 porte --- non piu’ usati u MSI 10 -100 porte --- usati solo in prodotti a bassissima integrazione e costo u LSI 100 -100, 000 porte --- usati in prodotti molto semplici u VLSI piu’ di 100, 000 porte --- gran parte dei componenti di un calcolatore moderno 12/13/2021 9

Circuiti integrati u Sinonimi: chip, IC, integrato. u I componenti con molte porte devono

Circuiti integrati u Sinonimi: chip, IC, integrato. u I componenti con molte porte devono contenere circuiti complessi con il minimo numero di connessioni esterne. u I segnali logici viaggiano in un IC con un certo ritardo che dipende dal tipo di tecnologia: lo stato dell’arte commerciale e’ un ritardo intorno al ns (mille milionesimi di secondo, 10 -9) 12/13/2021 10

Packaging u Da alcune decine fino a quasi mille connessioni (piedini). – Dual-in-line 12/13/2021

Packaging u Da alcune decine fino a quasi mille connessioni (piedini). – Dual-in-line 12/13/2021 11

Packaging, altri esempi u Package 12/13/2021 a 787 piedini di Sparc (Sun) 12

Packaging, altri esempi u Package 12/13/2021 a 787 piedini di Sparc (Sun) 12

Packaging, altri esempi u Pentium II (SECC) » Piuttosto che un package e’ una

Packaging, altri esempi u Pentium II (SECC) » Piuttosto che un package e’ una cartuccia multichip 12/13/2021 13

Esempi di circuiti logici tipici u Verranno usati come blocchi per costruire un calcolatore

Esempi di circuiti logici tipici u Verranno usati come blocchi per costruire un calcolatore vero e proprio u Sono disponibili commercialmente 12/13/2021 14

Multiplexer 12/13/2021 15

Multiplexer 12/13/2021 15

Uso dei multiplexer 12/13/2021 16

Uso dei multiplexer 12/13/2021 16

Demultiplexer u L’inverso del multiplexer: in via un segnale di ingresso su una di

Demultiplexer u L’inverso del multiplexer: in via un segnale di ingresso su una di n linee di uscita. 12/13/2021 17

Decoder 12/13/2021 18

Decoder 12/13/2021 18

Comparatori 12/13/2021 19

Comparatori 12/13/2021 19

Shifter 12/13/2021 20

Shifter 12/13/2021 20

Mezzo-sommatore 12/13/2021 21

Mezzo-sommatore 12/13/2021 21

Sommatore completo 12/13/2021 22

Sommatore completo 12/13/2021 22

ALU da 1 bit 12/13/2021 23

ALU da 1 bit 12/13/2021 23

ALU da 8 bit 12/13/2021 24

ALU da 8 bit 12/13/2021 24

Clock u Segnale periodico – Frequenza: numero di volte che il segnale torna allo

Clock u Segnale periodico – Frequenza: numero di volte che il segnale torna allo stesso valore » Misurata in Hz (Hertz) – Periodo o tempo di ciclo: tempo tra due ritorni del segnale allo stesso valore, si misura in secondi. » Inverso della frequenza 12/13/2021 25

Clock u. A cosa serve? – A far “avanzare” i circuiti logici alternando momenti

Clock u. A cosa serve? – A far “avanzare” i circuiti logici alternando momenti di calcolo a momenti di memorizzazione del risultato. 12/13/2021 26

Clock, esempio 12/13/2021 27

Clock, esempio 12/13/2021 27

Componenti che “ricordano” u Le porte logiche da sole possono solo calcolare funzioni logiche

Componenti che “ricordano” u Le porte logiche da sole possono solo calcolare funzioni logiche ma non possono memorizzare i risultati. u Per memorizzare i risultati (in assenza dei valori di ingresso che li hanno generati) bisogna che ci sia un qualche meccanismo di “mantenimento” dell’informazione. 12/13/2021 28

Terminologia u. I circuiti la cui uscita dipende esclusivamente dai valori di ingresso si

Terminologia u. I circuiti la cui uscita dipende esclusivamente dai valori di ingresso si chiamano combinatori e NON hanno memoria. u I circuiti la cui uscita dipende anche da valori di uscita precedenti si chiamano sequenziali e contengono elementi di memoria. 12/13/2021 29

Circuiti sequenziali u Questi circuiti hanno una parte combinatoria e una parte di memoria.

Circuiti sequenziali u Questi circuiti hanno una parte combinatoria e una parte di memoria. u Gran parte dei circuiti in un calcolatore sono circuiti sequenziali. 12/13/2021 30

Latch SR Stati stabili: 12/13/2021 31

Latch SR Stati stabili: 12/13/2021 31

Latch SR sincronizzato 12/13/2021 32

Latch SR sincronizzato 12/13/2021 32

Latch di tipo D sincronizzato 12/13/2021 33

Latch di tipo D sincronizzato 12/13/2021 33

Flip-flop u La differenza con i latch e che i flip-flop memorizzano l’informazione al

Flip-flop u La differenza con i latch e che i flip-flop memorizzano l’informazione al momento di transizione del clock mentre i latch memorizzano in un particolare stato del clock. 12/13/2021 34

Flip-flop D 12/13/2021 35

Flip-flop D 12/13/2021 35

Memoria, idea di base 12/13/2021 36

Memoria, idea di base 12/13/2021 36

Tecnologia usata dalle memorie u Matrice di transistor word-line bit-line 12/13/2021 37

Tecnologia usata dalle memorie u Matrice di transistor word-line bit-line 12/13/2021 37

Struttura di una DRAM u Vantaggi e svantaggi: – Con’s: » Ritardo di accesso;

Struttura di una DRAM u Vantaggi e svantaggi: – Con’s: » Ritardo di accesso; demux » Accesso a due passi; » rinfresco. – Pro’s: » Pochi pin; » Effetto cache. address storage matrix e. g. 64 X 64 full row readout mux/demux single bit I/O 12/13/2021 38

Chip per implementare memorie 12/13/2021 39

Chip per implementare memorie 12/13/2021 39

Tipi di RAM e ROM 12/13/2021 40

Tipi di RAM e ROM 12/13/2021 40