Digital IC konstruktion Viktor wall Inst fr Elektro

”Digital” IC konstruktion Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Transistorn: en förstärkare Power Supply Korrekt? gate drain source En transistor kan användas på många olika sätt, t. ex. för att förstärka en elektrisk signal. Ground Energin måste tillföras från t. ex. ett spänningsaggregat. Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Transistorn: en förstärkare Power Supply gate drain source En transistor kan användas på många olika sätt, t. ex. för att förstärka en elektrisk signal. Ground Energin måste tillföras från t. ex. ett spänningsaggregat. Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Analogt kontra digitalt Analogt • få komponenter • låg effekt • ”verkliga” signaler Digitalt • Hög precision • Komplexare algoritmer • Lagringskapacitet CD/DVD, MP 3, Digitalkamera, GSM, datorer, etc Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

CMOS symboler NMOS PMOS drain gate source Vanligast Digitalt Bulken/Substratet förutsätts kopplat till GND/VDD om inget annat anges Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Vad är en transistor? Gate Id n+ N-Channel ID Drain Source n+ p- VDS [V] Halvledarkomponent VGS Elektriska förhållanden Digitalt - Switchar Småsignalmodell drain gate source Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

NMOS som switch vin=“hög” a sluten VGS=5 V D vin G vin=“låg” a öppen ID S VGS=4 V VGS=3 V 1 2 3 4 5 VDS [V] Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

PMOS transistor as a switch VDS [V] vin=“hög” a “öppen” VDD S vin VGS G vin=“låg” a “sluten” D VGS ID Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Digitala kretsar CMOS Inverteraren Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

CMOS Inverteraren med transistorn som switch VDD “hög” in a Ut kopplad till GND NMOS sluten PMOS öppen a “låg” GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

CMOS Inverteraren med transistorn som switch ID VDD GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

CMOS Inverteraren med transistorn som switch VDD “låg” in a Ut kopplad till VDD NMOS öppen PMOS sluten a “hög” GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

CMOS Inverteraren med transistorn som switch VDD GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

CMOS Inverteraren Ideal ”Verklig” Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

N-Well P-Channel P-Substrate N-Channel Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logiska grindar, NAND V A DD Truth Table B OUT A B 0 0 1 1 0 1 OUT GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B OUT 0 0 1 1 0 GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B UT 0 0 1 1 0 GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B UT 0 0 1 1 0 GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B UT 0 0 1 1 0 GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logiska grindar, NAND V DD Sanningstabell A B UT 0 0 1 1 0 GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logiska grindar VDD A B A f AND f NAND B GND NAND + Inverter a AND Amerikansk & Europeisk A B 0 0 1 1 0 1 NAND 1 1 1 0 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se 0 0 0 1

NAND Two Input NAND/ AND Inverter 0. 8 m CMOS Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logisk Funktion? V Sanningstabell DD A B UT A A B 0 0 1 1 0 1 UT B GND Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Logisk Funktion: NOR V Sanningstabell DD A B UT A A B UT 0 0 1 1 0 0 0 B ≥ 1 GND Amerikansk Europeisk Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

. . . och nu en adderare msb = most signifcant bit amsb bmsb lsb = least signifcant bit ai+1 bi+1 cin i cin msb coutmsb Smsb ai bi couti Si+1 Si minnessiffra eller carry A B Cin S Cout 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

. . . och nu en adderare msb = most signifcant bit amsb bmsb lsb = least signifcant bit ai+1 bi+1 cin i cin msb coutmsb Smsb ai bi couti Si+1 Si minnessiffra eller carry A B Cin S Cout 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

. . . och nu en adderare msb = most signifcant bit amsb bmsb lsb = least signifcant bit ai+1 bi+1 cin i cin msb coutmsb Smsb ai bi couti Si+1 Si minnessiffra eller carry A B Cin S Cout 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Heladderare i CMOS, 1 bit XOR A B 0 0 1 1 0 1 UT 0 1 1 0 A B Cin S Cout 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Exempel på Heladderare i CMOS, 1 bit VDD C VDD B C A A B B C Co A B A A A C B B VDD S C A B C S B A VDD Co Mer i Digitaltekniken! Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

14 bitars adderare Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Integrerade kretsar av olika komplexitet Filter - 10000 Transistorer AND-Gate 6 Transistorer FFT - 1 Million Transistorer Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Och sen går vi bara vidare! Intel Pentium 4 (2000) 42 million transistors 0. 18 mm / 1. 5 GHz Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Antalet transistorer per chip dubbleras var år. (1965) Moores Lag Ändrar 1975 till vartannat år. Gordon Moore En av Intels grundare Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Moores lag 2007 ca 5 milliarder transistor idag Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se 35

Så vad är problemet? • Fysiken • Hastigheten • Effektförbrukningen Det är L som anger processen, t. ex. 45 nm Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Hastigheten om Minskad kapacitans ger snabbare krets vilket kommer med ny process. Högre matningsspänning ger snabbare kretsar men transistorerna brinner upp och. . . Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Effektförbrukningen (dynamisk) VDD Charge Discharge Kvadraten gör att vi speciellt vill sänka VDD a långsammare kretsar Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Så vad är problemet? • Fysiken • Hastigheten • Effektförbrukningen Det är L som anger processen, t. ex. 45 nm Mer i Digitaltekniken! Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Klockning av processorer! Intel Pentium 4 (2000) 42 million transistors 0. 18 mm / 1. 5 GHz Hur ser den ut här? Om jag skickar in en klocka här. Kanske så här. Och hur bra funkar datorn då? Ofta mer än 50% av effekten i att ”fixa till” klockan. Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

CPU power consumption Pentium IV chip area 1. 3 cm 2 (i 130 nm technology) Detta ger ca. 100 W/cm 2 som måste transporteras bort, dvs säga kylning. Jämförelse: Den här ger ca 10 W/cm 2. www. xbitlabs. com 41 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Klockfrekvensen ökar inte längre http: //www. tomshardware. com/reviews/ http: //www. linuxjournal. com/article/9361 Vad gör vi? Vi går till multipla kärnor! Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

From Intel presentation ISSCC, Feb´ 09 1985 2008 From: The New Era of Scaling in an So. C World, ISSCC 2009 43 Mark Bohr, Senior Fellow, Intel, Hillsboro, OR Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Några Multi-core processorer Intel Sandy. Bridge Ca 5000 M trans. IBM/Sony/Toshiba Cell ISSCC 05, 234 M trans. Fujitsu FR-V, 2005, 83 M trans. Multi-core processorer där vi ökar beräkningskapaciteten utan att öka klockfrekvensen. Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

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 Snabbare CPU Registers + Cache L 1 Cache L 2 Main memory RAM Vanligtvis flera nivåer cache Solid State Drives ? Hard drive/disc/disk Större Transistor minnen 2006 -11 -16 ETIInformations 125 - Föreläsning 11 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se 45

Utvecklingen av massminnen 2006 -11 -16 ETI 125 - Föreläsning 11 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se 46

Utvecklingen av massminnen 5 GB-1997 4 GB US$199 170 MB-1990 2006 -11 -16 120 GB US$179 Siffror från 2006 ETI 125 - Föreläsning 11 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se 47

Vad är ett Flashminne? Halvledarminnen: • ROM – Read Only Memory • RAM – Random Access Memory • FLASH 48 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

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 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

ROM VDD Pull Up word 0 GND word 1 word 2 GND word 3 bit 0 bit 1 bit 2 bit 3 Placeringen av transistorer bestämmer minnesinnehållet! Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

MOS transistorn Source Gate n+ Drain Gate-oxid (isolerande) n+ p- substrat WAFER 2007 -09 -03 ESS 010 - Konsumentelektronik: Överblick Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se 51

Flash minnen– floating gate transistors Floating gate n+ BL Control gate WL n+ I ett Flash-minne har vi en speciell transistor. Alla platser i minnet har en transistor men vi kan elektriskt kontrollera funktionaliteten av minnescellen. • EPROM, EEPROM och Flash har olika sätt att styra transistorn. 2007 -09 -03 ESS 010 - Konsumentelektronik: Överblick Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se 52

ROM 2 N VDD words Pull Up word 0 GND Address- word 1 avkodning word 2 GND word 3 addr 0 addr 1 N address bit 0 bit 1 bit 2 bit 3 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

ROM VDD Pull Up 0 GND Addressavkodning 1 0 GND 0 0 1 ? ? Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

ROM VDD “ 1” Pull Up “ 1” 0 GND Addressavkodning 1 0 GND 0 0 1 ? ? Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

ROM VDD “ 1” Pull Up “ 1” 0 GND Addressavkodning 1 0 GND 0 0 1 1 0 Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Flash minnen – Floating gate transistors Floating gate n+ BL Control gate WL n+ Floating gate är inte kontakterda – Om vi laddar floating gate mycket negativt a Ingen kanal a Ingen transistor – Om ingen laddning a Kanal a Transistor Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

FLASH stucture VDD Pull Up word 0 GND word 1 word 2 GND word 3 Floating gate transistors everywhere! Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

FLASH write, e. g. trap charge VDD Pull Up word 0 GND word 1 word 2 GND word 3 = trapped charge. Transitor is always off a Same content as ROM. Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Så vart är vi på väg? Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Wrap-Gate FETs Wrap-gates Device layout Nanowire Transistor Drain 1 μm Wrap-gate Source Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se

Mer om allt detta i EIT 020 Digitalteknik och senare i ETI 130 Digital IC konstruktion Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www. eit. lth. se