Microelettronica? Principi e concetti base. Roberto Pelliconi

Transcript

1 Microelettronica? Principi e concetti base Roberto Pelliconi 1

2 Indice della Presentazione 1/1 Componenti Discreti o Circuiti Integrati? Conviene Produrre Circuiti Integrati? Sviluppo tecnologico. Transistors. Progettazione Analogica e Digitale. Dettagli di Progettazione Digitale. Dettagli di Progettazione Analogica. Suddivisione funzione Analogico/Digitale. Dalla progettazione al Chip. Conclusione. 2

3 Componenti Discreti o Circuiti Integrati? 1/6 Componenti Discreti: ogni componente o chip ha una funzione limitata e relativamente semplice Elementi passivi: resistenze, capacita, induttanze. Porte Logiche (TTL o CMOS): AND, OR, NOT, etc Amplificatori (μa741), Oscillatori (NE555), ADC, DAC, etc. Vengono collegati per realizzare funzioni complesse su una scheda (board). Facile modificare le funzionalita (si sostituiscono i componenti e le connessioni). Velocita limitata dalle dimensioni della scheda e dalla lentezza dei componenti. Elevato consumo di potenza. Bassa affidabilita (dovuta all elevato numero di componenti utilizzati). Alto costo (molti componenti con il relativo package). 3

4 Componenti Discreti o Circuiti Integrati? Esempio di Breadboard 2/6 Esempio di Circuito Stampato 4

5 Componenti Discreti o Circuiti Integrati? 3/6 Circuiti Integrati monolitici: in un unico componente si inseriscono moltissime funzionalita complicate. Includono, molto spesso Elementi passivi integrati: resistenze, capacita, (+ difficile induttanze). Innumerevoli Porte Logiche Integrate (solo CMOS) e memorie fino a formare microprocessori con decine di milioni di componenti. Amplificatori, Oscillatori, ADC, DAC, riferimenti di tensione, etc. Vengono collegati internamente per realizzare funzioni complesse, anche unendo funzionalita analogiche e digitali. Una volta progettati non modificabili (se non con riprogettazione). Velocita elevata (GHz). Basso consumo di potenza. Alta affidabilita. Basso costo se prodotto in economia di scala. 5

6 Componenti Discreti o Circuiti Integrati? IC Radiofrequenza 4/6 Pentium 4 (2000, (180nm) 6

7 Componenti Discreti o Circuiti Integrati? Wafer di Circuiti Integrati 5/6 Connessione Chip-Package 7

8 Componenti Discreti o Circuiti Integrati? 6/6 Difficolta e costi nella progettazione dei circuiti integrati monolitici Progettazione virtuale, (test dei chip solo dopo la produzione). Progettazione con componenti miniaturizzati (fino a pochi atomi per componente) che richiedono modelli di simulazione precisi. Grande complessita dei circuiti e interazioni tra di loro. Programmi di simulazione estremamente avanzati ma che richiedono elevate competenze. Costi di progettazione elevati per ogni prodotto (qualche M$ anche per prodotti semplici ). Prezzo finale basso, giustificabile con economie di scala (milioni di pezzi). Miglioramento (miniaturizzazione) della tecnologia che costringe a continua ri-progettazione (aumentando le funzionalita ). Competizione realmente globale 8

9 Conviene Produrre Circuiti Integrati? 1/1 Per fortuna, SI! Lo sviluppo e gli investimenti in innovazione sono impressionanti, e alcuni (ma non tutti) fanno molti soldi. Se nei mezzi di trasporto ci fosse stata un innovazione come si e avuta nella microelettronica negli ultimi 50 anni, adesso si andrebbe da New York a Londra in 10 secondi, pagando 0.1$ (cit.). 9

10 Sviluppo Tecnologico: Area 1/2 La definizione della tecnologia e con una dimensione, che e la lunghezza del canale del singolo transistor MOSFET. + e piccola la dimensione del singolo transistor, + se ne possono mettere all interno della stessa area. Vantaggio principalmente per circuiti digitali. L area dei chip e limitata dalla resa di produzione (difetti/cm2). Ogni 18 mesi si dimezza l area (le dimensioni lineari si riducono della radice di 2 ) - Legge di Moore. Crescita costi di produzione ad ogni nuova generazione. Limite economico prima del limite fisico. Alcuni nodi (0.18um) rimangono ottimi compromessi per alcuni tipi di prodotti (analogici). 10

11 Sviluppo Tecnologico: Consumo Potenza 2/2 Per ogni operazione logica, il consumo di potenza e proporzionale a VCC2 e alla CLOAD. Se con un nuovo processo l alimentazione e l 80% del vecchio, il consumo di potenza e del nuovo processo e il 64% del vecchio. Se passando da un processo ad uno migliore la CLOAD migliora del 20% (grazie alle dimensioni ridotte, il risparmio di potenza migliora di altrettanto. La massima potenza dissipata/cm2 e un limite da non sottovalutare. 11

12 Transistors: Informazioni Generali 1/3 Inventato tra gli anni 30 e 40. La parola deriva dall unione di Transconductance e Varistor. Inizio ad essere realizzato su semiconduttore verso la fine degli anni 50. E un dispositivo a 3 terminali (in realta nei MOSFET se ne identificano 4). Funzionalita generale: variando la corrente o la tensione di un terminale di controllo, si riesce a variare il flusso di corrente tra gli altri 2 terminali. E visto come un amplificatore del segnale che entra nel terminale di controllo, che si trasforma (e, appunto, amplifica) in una corrente ai terminali d uscita. Un amplificatore non crea energia, ma la trasforma, prendendola dall alimentazione e dandole la forma che si desidera. E detto componente attivo in quanto in grado di amplificare un segnale, al contrario dei componenti passivi quali resistenze, capacita e induttanze. 12

13 Transistors: BJT 2/3 Bipolar Junction Transistor. Beta = varia tra 50 e 150 a seconda della tecnologia. La corrente nel Collettore e una funzione esponenziale della tensione tra Base ed Emettitore, o anche una amplificazione della corrente di Base. Per questo si dice che sono Pilotati in Corrente I BJT sono i migliori transistor per progettare circuiti analogici perche hanno alto guadagno. I BJT non sono i migliori dispositivi per la progettazione digitale perche le porte logiche necessitano di corrente statica (leakage) per funzionare. Poco usati nei circuiti integrati. 13

14 Transistors: MOSFET 3/3 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. K = (½ * W/L * BI) e varia a seconda della tecnologia. La corrente nel Drain e una funzione quadratica della tensione tra Gate e Source, o anche una amplificazione della tensione VGS. Per questo si dice che sono Pilotati in Tensione I MOSFET non sono i migliori transistor per progettare circuiti analogici perche hanno basso guadagno. I MOSFET sono i migliori dispositivi per la progettazione digitale perche le porte logiche non necessitano di corrente statica (leakage) per funzionare. Componenti fondamentali nei circuiti integrati. 14

15 Progettazione Analogica e Digitale 1/1 Elettronica Digitale: utilizza i transistors come interruttori. si basa su operazioni matematiche in logica binaria. include operazioni binarie elementati (AND, OR, NOT) e realizzazione di memorie. permette l integrazione di decine di milioni di porte logiche elementari. il miglioramento tecnologico spinge ad effettuare anche operazioni matematiche di matrice analogica nel dominio digitale, con vantaggi di efficienza, area e prestazione. Metodo di progettazione affine alla scrittura di software. Elettronica Analogica: utilizza i transistors come amplificatori di segnale. tutto quello che non si puo fare in digitale. Tendenza a ridurre i circuiti analogici al minimo indispensabile (ma con area non trascurabile sul circuito integrato). Amplificatori, riferimenti di tensione, regolatori, MEMS, circuiti a radiofrequenza. Convertitore per passare dal dominio Analogico al Digitale (ADC) e viceversa (DAC). Poche centinaia o migliaia di transistors. Si progetta alla vecchia maniera con schemi elettrici e simulazioni di piccoli circuiti. 15

16 Dettagli di Progettazione Digitale 1/6 I segnali di tensione elettrica vengono catalogati o in 0 o in 1 logici secondo il principio: se V > VTH, allora e un 1 se V < VTL, allora e uno 0 se VTL < V < VTH, il segnale non ha un senso (inaccettabile). I livelli logici in uscita ad una porta logica devono poter essere usati come ingressi dalla porta logica successiva. L obiettivo e di disegnare circuiti quanto + piccoli e a bassa potenza possibile. 16

17 Dettagli di Progettazione Digitale 2/6 La combinazione di NMOS e PMOS crea la logica CMOS (Complementary MOS). Associazione di: 0 logico = VSS (0V) 1 logico = VDD (1.2V@65nm) Idea di porta logica NOT Il carico di una porta logica CMOS e la porta successiva, cioe solo una capacita. Nessun consumo di corrente statica In Out

18 Dettagli di Progettazione Digitale 3/6 Porte Logiche Universali NAND e NOR. Utilizzando una Porta Logica Universale si puo realizzare QUALSIASI funzionalita A B Out A B Out

19 Dettagli di Progettazione Digitale In aggiunta alle porte combinatorie si definisce il concetto di tempo tramite il clock. I Flip Flop (FF) sono celle digitali che si possono descrivere come segue: 4/6 L uscita del Flip Flop e quasi sempre costante, indipendentemente dal suo ingresso. L unico evento per cui l uscita diventi uguale all ingresso e la presenza di un fronte di salita del segnale clock. I Flip Flop hanno la funzione di congelare l uscita e cambiarla ( sample ) solo a fronte dei un determinato evento (appunto il clock). I Flip Flop danno una temporizzazione ai circuiti digitali. A CLK Q 0 / 1 0 Non cambia 0 / 1 1 Non cambia

20 Dettagli di Progettazione Digitale 5/6 L unione delle porte logiche combinatorie e dei FF (assieme alle memorie per salvare i dati) permette la realizzazione di un qualsiasi sistema digitale. L inserimento dei FF permette interazioni tra diverse parti del circuito riallineando i dati prima di una nuova operazione. Tramite i FF si puo realizzare il concetto di pipeline per velocizzare i circuiti integrati A, B, C, D porte logiche 20

21 Dettagli di Progettazione Digitale Per effettuare i progetti (Front-End), i fornitori di processi tecnologici forniscono: 6/6 librerie di porte logiche combinatorie, descrivendo i tempi di risposta da ingresso a uscita. librerie di FF, descrivendo i tempi di Setup&Hold per garantire il corretto campionamento dei dati. Tramite linguaggi di programmazione (Verilog, VHDL) si descrive la funzionalita del circuito digitale. Tramite software di Sintesi si converte la descrizione da linguaggio di programmazione a connessione di porte logiche. Tramite software di clock tree si bilanciano le temporizzazioni del clock su tutto il chip. Tramite software di analisi si verifica se i criteri di Setup&Hold sono soddisfatti in tutte le condizioni operative. Si passa al Back-End (spiegato + tardi). 21

22 Dettagli di Progettazione Analogica 1/5 I valori di tensione/corrente hanno tutti un significato di segnale. L informazione racchiusa in un singolo segnale analogico e molto + densa e significativa rispetto a quella di un singolo segnale digitale. D altra parte ogni segnale analogico e molto sensibile ad eventuali disturbi o rumore provenienti dalle alimentazioni o dai circuiti adiacenti. Ogni operazione/circuito analogico porta con se un rumore intrinseco che degrada la qualita del segnale elaborato. La progettazione analogica integrata si scontra con le ridotte dimensioni dei transistors utilizzati, che portano alle conseguenze: Incertezza sulla performance dei transistors, che possono variare i propri parametri del 30% da wafer a wafer (chip prodotti in tempi diversi). Asimmetria intrinseca trai componenti all interno dello stesso chip. Per mitigare cio si progetta con transistors di GRANDI dimensioni (al contrario della progettazione digitale). La dimensione dei transistors con le dimensioni utilizzate nella progettazione analogica, non migliora con l evolvere dei processi produttivi. Ad ogni evoluzione del processo produttivo la performance dei transistors utilizzati in maniera analogica generalmente peggiora perche i transistors sono ottimizzati (dal punto di vista del processo) per la migliore performance digitale. 22

23 Dettagli di Progettazione Analogica Caratteristiche Tensione/Corrente di un NMOS 2/5 Nella progettazione analogica i MOS si utilizzano il 99% delle volte in saturazione. La regione a triodo presenta una resistenza tra Drain e Source costante. In un NMOS il Bulk (Substrato) va sempre connesso alla tensione + bassa (o al limite uguale alla + bassa) di Drain e Source. Il PMOS e complementare all NMOS. In generale la performance degli NMOS e migliore di quella dei PMOS. 23

24 Dettagli di Progettazione Analogica 3/5 Strutture base per la Progettazione Analogica a MOSFET La Coppia Differenziale e la base per ogni amplificatore operazionale. Lo Specchio di Corrente serve per copiare la corrente da un ramo ad un altro, e per creare un carico attivo 24

25 Dettagli di Progettazione Analogica 4/5 Amplificatore Operazionale Integrato (vs ua741) 25

26 Dettagli di Progettazione Analogica 5/5 Principali blocchi che richiedono un intensa attivita progettazione analogica: ADC (Analog to Digital Converters). Di diversi tipi, come Flash, Pipeline, SAR, Sigma-Delta. DAC (Digital to Analog Converters). Di diversi tipi come Current Steering, Resistor Ladder. Bandgap (Riferimenti di tensione). PLL (Phase Locked Loop) per la generazione di clocks. Filtri. Regolatori di Tensione. Misuratori di Tensione/Corrente. LNA (Low Noise Amplifiers) (progettazione a radiofrequenza). Mixers (progettazione a radiofrequenza). Power Amplifiers (progettazione a radiofrequenza). 26

27 Suddivisione funzione Analogico/Digitale Il mondo di cui facciamo parte e analogico, per cui gli input/output per interfacciarsi con l essere umano devono essere analogici. A parte certe operazioni (amplificatori di precisione) che devono essere puramente analogiche e alcune puramente digitali (microprocessori), all interno di un progetto si ha una certa liberta nel scegliere se una funzione debba essere effettuata nel dominio analogico o in quello digitale. Le definizioni di tempo e frequenza del mondo analogico possono essere trasformati in digitale tramite opportuni trucchi matematici (Trasformata Z). Un esempio di blocco che puo essere analogico o digitale e il FILTRO. 1/2 Per elevate frequenze di filtraggio e conveniente nel dominio analogico (da 1MHz in su). Per basse frequenze conviene realizzarlo in digitale. Le conversioni tra il mondo analogico e quello digitale avvengono con ADC e DAC. 27

28 Suddivisione funzione Analogico/Digitale In generale una funzione analogica che richiede pochi transistors (pero grandi), se realizzata in digitale richiede tantissima logica (molto piccola). La tendenza attuale, grazie alla possibilita di integrare tantissime porte logiche di dimensione ridotta, e quella di effettuare quante + elaborazioni possibili in digitale, perche : 2/2 l circuiti digitali non sono influenzati dal rumore (accoppiamenti da altri circuiti). La funzionalita digitale si puo descrivere via software ed e trasferibile velocemente da una tecnologia ad un altra. La dimensione della logica digitale (e il loro consumo di potenza) si riduce in maniera esponenziale (legge di Moore), mentre i circuiti analogici non si riducono per limitazioni fisiche (numero di atomi per garantire la necessaria precisione). I circuiti digitali possono essere riconfigurati molto facilmente per cambiarne la funzione o certe specifiche. Questo puo risultare + complicato in analogico. Il giusto mix tra analogico e digitale puo decretare il successo o il fallimento di un prodotto. 28

29 Dalla progettazione al Chip 1/6 La fase di progettazione (Front-End), sia per il caso analogico che digitale, si conclude ottenendo, rispettivamente: Digitale: una netlist, (cioe lista delle connessioni) che descrive tutte le connessioni e le porte logiche/flip flops/memorie per realizzare la funzione desiderata. Analogico: uno schema elettrico piu o meno complicato, organizzato in sottoblocchi. In ogni caso anche quello e una descrizione di connessioni e transistors/resistenze/capacita. Il problema e : Come trasformo questa informazione in una realizzazione fisica dei miei circuiti? Inizia la fase chiamata di Back-End per preparare il progetto alla realizzazione pratica. Il flusso di Back-End e diverso a seconda che si tratti di progettazione analogica o digitale. 29

30 Dalla progettazione al Chip 2/6 Il Back-End digitale si svolge in generale in automatico. Ad ogni componente della netlist e associato un layout, che e una rappresentazione fisica delle porte logiche (ogni porta logica e realizzata con transistors). Questo layout e fornito in una libreria dal fornitore di processo (la fabbrica che alla fine produrra il chip). I componenti base sono diverse centinaia (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, FF, con diversi ingressi e uscite e diverse caratteristiche di velocita e consumo di potenza). Il layout di ogni componente e realizzato con una forma standard in modo da poter essere sempre accoppiato con altri componenti di fianco, in alto e in basso. Si forma una matrice di celle: le celle vengono connesse automaticamente. L operazione si chiama place&route (piazza e connetti). L algoritmo di place&route e estremamente complicato perche deve garantire di poter effettuare tutte le connessioni correttamente nella maniera piu efficiente possibile (garantendo minima area e massima velocita ). Al termine, se l operazione avviene con successo, si fanno i check finali. 30

31 Dalla progettazione al Chip 3/6 Il Back-End analogico e un operazione piu artigianale. Similmente a quanto avviene per il caso digitale, esiste una libreria di componenti parametrizzati. Questa libreria contiene componenti base come transistors, resistenze e capacita. Il progettista puo instanziare il componente decidendone le dimensioni, e si crea automaticamente un layout della forma richiesta. I vari componenti sono piazzati e connessi, generalmente a mano, dal progettista (o un tecnico qualificato). La ragione di questo lavoro manuale, che costa moltissimo tempo, e che nel campo analogico e richiesto di rispettare caratteristiche di simmetria in certi casi, di minimizzare la lunghezza di certe connessioni rispetto ad altre, di disegnare connessioni piu ampie o piu strette, etc. Alla fine del layout, quando questo e corretto, il progettista ri-simula il circuito del layout con parametri parassiti estratti (resistenze, capacita parassite, effetti secondari della forma dei transistors). Molto spesso (in circuiti critici) le simulazioni post-layout presentano un degrado della performance che costringe il progettista a qualche aggiustamento, o dello schema/architettura, o del layout (variando la posizione di certi componenti o connessioni. 31

32 Dalla progettazione al Chip 4/6 Esempio di Schematic/Layout di porta logica NAND a 2 Ingressi per progetto analogico. 32

33 Dalla progettazione al Chip 5/6 Esempio di Schematic/Layout di un Amplificatore Operazionale (OTA) 33

34 Dalla progettazione al Chip Le verifiche finali (sia che si tratti di un progetto digitale che analogico, o misto) prima di mandare il layout alla fabbrica sono: 6/6 LVS (Layout Versus Schematic): tramite un apposito software si verifica che il layout (componenti e connessioni) coincida con lo schematico. Altrimenti il circuiti NON funzionera (o funzionera in maniera inaspettata, generalmente sbagliata). DRC (Design Rule Checking): un altro software controlla che le forme geometriche utilizzate per rappresentare tutti i layer del layout (e che alla fine descrivono componenti e connessioni) soddisfino le regole della tecnologia. Ad esempio, che una connessione di metallo sia sufficientemente larga, non troppo lunga, e che la connessione adiacente sia ad una distanza superiore a quella minima. Stessa cosa per il poly, le aree di diffusione, etc. Le regole sono MIGLIAIA. Nella progettazione analogica LVS e DRC vengono controllati frequentemente per permettere le modifiche immediatamente. Nella progettazione digitale questo avviene alla fine con il prodotto finito. Quando e tutto OK, si manda alla FABBRICA e si producono i CHIP. 34

35 Conclusione 1/1 La progettazione di un singolo Chip richiede enormi investimenti, e il cui valore aumenta sempre piu col passare del tempo. I costi sono dovuti a: Risorse Umane (migliaia di giorni di lavoro/uomo). Software per la progettazione (Front-End, Back-End). Costi delle Maschere di Produzione (costo fisso, nell ordine delle centinaia di migliaia di $) e i Wafer di Silicio (costo variabile). Costo del Package. Costo del Testing. Alla fine tutto questo per qualcosa che, all utente finale, deve costare anche solo pochi $. Sembra una Magia, ma Funziona! 35

36 E Finita! That s all, Folks! Thank You :-) 36