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Microelettronica?
Principi e concetti base
Roberto Pelliconi
1
Indice della Presentazione
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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
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
Componenti Discreti o Circuiti Integrati?
Esempio di Breadboard
2/6
Esempio di Circuito
Stampato
4
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
Componenti Discreti o Circuiti Integrati?
IC Radiofrequenza
4/6
Pentium 4 (2000, (180nm)
6
Componenti Discreti o Circuiti Integrati?
Wafer di Circuiti Integrati
5/6
Connessione Chip-Package
7
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
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.).
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Sviluppo Tecnologico: Area
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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).
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Sviluppo Tecnologico: Consumo Potenza
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●
●
●
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.
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Transistors: Informazioni Generali
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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.
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Transistors: BJT
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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.
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Transistors: MOSFET
●
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●
●
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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.
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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
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
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
‘0’
‘1’
‘1’
‘0’
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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
‘0’
‘0’
‘1’
‘0’
‘0’
‘1’
‘0’
‘1’
‘1’
‘0’
‘1’
‘0’
‘1’
‘0’
‘1’
‘1’
‘0’
‘0’
‘1’
‘1’
‘0’
‘1’
‘1’
‘0’
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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
‘0’
‘0’
‘1’
‘1’
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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
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
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.
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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
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”
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Dettagli di Progettazione Analogica
●
4/5
Amplificatore Operazionale Integrato (vs uA741)
25
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
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
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.
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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.
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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
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 30-50 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
Dalla progettazione al Chip
●
4/6
Esempio di Schematic/Layout di porta logica NAND a 2 Ingressi per
progetto analogico.
32
Dalla progettazione al Chip
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5/6
Esempio di Schematic/Layout di un Amplificatore Operazionale (OTA)
33
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
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
E’ Finita!
That’s all, Folks!
Thank You :-)
36