111
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod Viktor Öwall

Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

Viktor Öwall

Page 2: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Motivation

• Hur konstruera med transistorer?

• Hur påverkar teknologin prestanda, tex

klockfrekvens och effektförbrukning?

• Vart är vi på väg?

• Vilka alternativ har vi?

Page 3: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Vi tittar först på logiska grindar,

viss repetition och en del nytt.

Sen lite mer vart elektroniken är

på väg.

Page 4: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

V DD

A B

B

GND

A

A B OUT

0

1

1

1 1

0

0

0 OUT

Truth Table

Vad är detta?

Page 5: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

&

US

A B NAND

0

1

1

1 1 0

0

0 1

1

1 0

NAND + Inverter a AND

Europe

AND

0

0

0

1

Logisk grind, NAND

+ a

Page 6: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Varför börjar jag med NAND

och inte AND?

Grundblock och för att den är

enkel att implementera med

CMOS transistorer.

Page 7: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Digitalt arbetar vi i stort sätt

uteslutande med CMOS transistorer.

p- N-Channel

Gate Drain Source

n+ n+

Solid State Physics V DS [V]

I D

V GS

I d

Electrical Characteristics

gm

Vgs

go

Vgs

Vds

drain

source

gate Small Signal Model (amplifier design)

GND

VDD

Digital – transistor as a switch

Page 8: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Logic Gates,

AND

A

GND

B

AND

Vdd

Vdd

NAND

PMOS

NMOS

GND

Vdd

&

US

A B NAND

0

1

1

1 1 0

0

0 1

1

1 0

NAND + Inverter a AND

Europe

V DD

A B

B

NAND f

GND

AND f

A

AND

0

0

0

1

Page 9: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Two

Input

NAND/

AND

0.8 m

CMOS

Början av

90-talet. Vad

har vi idag?

NAND

Inverter

Page 10: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

V DS [V]

I D

V GS

V GS

V GS

Linear

Saturation

Pinch-off TGSDS VVV

ID som funktion av VDS

Page 11: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

NMOS transistorn som strömbrytare

V DS [V]

I D

V GS

V GS

V GS

vin

vin=“låg” a “öppen”

vin=“hög” a “kortslutning”

Ökande VGS

G

S

D

Page 12: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

PMOS transistorn som strömbrytare

V DS [V]

I D

V GS

V GS

V GS

vin

VDD

G D

S

vin=“hög” a “öppen”

vin=“låg” a

“kortslutning”

Page 13: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

GND

V DD

I D

CMOS inverteraren med

transistorn som strömbrytare

“hög” in a

NMOS “kortsluten”

PMOS “öppen”

Page 14: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

CMOS Inverteraren

VOUT

VIN

Ideal

Vdd/2

Idealt slår transistorerna om

som strömbrytare vid VDD/2.

Men hur är det egentligen?

Page 15: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

CMOS Inverteraren

VOUT

VIN

Ideal ”Verklig”

V OUT

N Off

P Lin

V IN

N Lin

P Off

N Sat

P Sat

N Sat

P Lin

N Lin

P Sat

Vdd/2

Inget

omedelbart

omslag

≈Vdd/2 Omslagspunkt

varierar

Page 16: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Omslagstid

”Verklig”

V OUT

N Off

P Lin

V IN

N Lin

P Off

N Sat

P Sat

N Sat

P Lin

N Lin

P Sat

Vad beror omslagstiden på?

Page 17: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Omslagstid

”Verklig”

V OUT

N Off

P Lin

V IN

N Lin

P Off

N Sat

P Sat

N Sat

P Lin

N Lin

P Sat

Vad beror omslagstiden på?

En kapacitans som

inkluderar såväl

interna som externa

bidrag, t.ex.

kapacitansen från

ingången till nästa

steg.

Page 18: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Omslagstid

”Verklig”

V OUT

N Off

P Lin

V IN

N Lin

P Off

N Sat

P Sat

N Sat

P Lin

N Lin

P Sat

Vad beror omslagstiden på?

En kapacitans som

inkluderar såväl

interna som externa

bidrag, t.ex.

kapacitansen från

ingången till nästa

steg.

Mer om hastigheten senare.

Page 19: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Hur konstruerar vi som ingenjörer

tex en inverterare?

Om alls så i datorn.

Ofta kommer dessa

grundkomponenter i ett

cellbibliotek, dvs att få

konstruktörer gör detta

själv.

Page 20: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

P-Substrate

N-Well

N-Channel

P-Channel

Page 21: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

p -

n + n +

Gate

Drain Source

substrat

Courtesy of Intel

Page 22: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Detta kallas:

Complementary Logic V

DD

A B

B

GND

A

OUT Properties:

+ rail to rail swing

, i.e.out = VDD or GND

+ ”no” static power, i.e.

either PUN or PDN off

- Many transistors

Pull up network

Pull down network

Page 23: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo-NMOS Gates

V DD

B

GND

A

OUT

Pull up network

Pull down network

Properties:

+ fewer transistors

+ in the early years there

was only NMOS

- Static power consumption

- Low input ”not 0”

Page 24: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo-NMOS Gates

V DD

B

GND

A

OUT

Properties:

+ fewer transistors

-Static power consumption

- Low input ”not 0”

En ”resistans” där R

beror på transistorns

egenskaper.

Page 25: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo-NMOS Gates:

Static Power V

DD

B

GND

A

OUT Vad händer när A=B=1?

Page 26: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo-NMOS Gates:

Static Power V

DD

B

GND

A

OUT Vad händer när A=B=1?

Ström från VDD till GND

vars storlek beror på R.

R

Istatic

Statisk effektförbrukning!

Page 27: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Så med enbart NAND kan vi göra allt,

dvs i princip bygga en processor.

Men är det effektivt?

Page 28: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Så med enbart NAND kan vi göra allt,

dvs i princip bygga en processor.

Men är det effektivt?

Nej, alltför många transistorer,

alltför långsamt och

för hög effektförbrukning!

Page 29: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Komplexare funktioner: addition

i+1 b i+1 a i b i a

i cin

i+1 cout

msb b msb a

msb cin

msb cout

lsb =

least signifcant bit msb =

most signifcant bit

sumi sumi+1

Memory digit:

carry value

summsb

Overflow om

resultatet

”för stort”.

Page 30: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Komplexare funktioner: addition

i b i a

i cin

sumi

Hur implementerar jag denna med transistorer?

Page 31: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Från tidigare lektion

Page 32: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Heladderare med NAND

9 x NAND a 36 transistorer

Page 33: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Full Adder in CMOS, 1 bit

A and B: in

C: carra in

S: sum

Co: carryout

C

B A B

A

A

B B

C

C

C

C

A

A

A

B B

B

V DD

V DD

S C o

C A B

V DD

A

A B Cin Co S

0 0 0 0 0

0 0 1 0 1

0 1 0 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 0 1 1 0

1 1 0 1 0

1 1 1 1 1

24 transistorer (36 med enbart NAND)

Page 34: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Full Adder in CMOS, 1 bit

A and B: in

C: carra in

S: sum

Co: carryout

C

B A B

A

A

B B

C

C

C

C

A

A

A

B B

B

V DD

V DD

S = 1 C = 1 o

C A B

V DD

A

A B Cin Co S

0 0 0 0 0

0 0 1 0 1

0 1 0 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 0 1 1 0

1 1 0 1 0

1 1 1 1 1

Page 35: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Full Adder in CMOS, 1 bit

A and B: in

C: carra in

S: sum

Co: carryout

C

B A B

A

A

B B

C

C

C

C

A

A

A

B B

B

V DD

V DD

S = 0 C = 0 o

C A B

V DD

A

A B Cin Co S

0 0 0 0 0

0 0 1 0 1

0 1 0 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 0 1 1 0

1 1 0 1 0

1 1 1 1 1

Page 36: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Full Adder in CMOS, 1 bit

A and B: in

C: carra in

S: sum

Co: carryout

C

B A B

A

A

B B

C

C

C

C

A

A

A

B B

B

V DD

V DD

S = 1 C = 0 o

C A B

V DD

A

A B Cin Co S

0 0 0 0 0

0 0 1 0 1

0 1 0 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 0 1 1 0

1 1 0 1 0

1 1 1 1 1

Page 37: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

En ”carry ripple adder”.

i+1 b i+1 a i b i a

i cin

msb b msb a

msb cin

msb cout sumi sumi+1 summsb

Vad är maximal fördröjning?

Max delay?

Max delay

Viktigt att optimera carry-kedjan.

Page 38: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Full Adder in CMOS, 1 bit

C

B A B

A

A

B B

C

C

C

C

A

A

A

B B

B

V DD

V DD

S C o

C A B

V DD

A

• Hur stora skall transistorerna vara?

• Vilka ingångar skall placeras var?

• Är detta en bra lösning?

• Beror på, tex är det hastighet eller effektförbrukning.

Finns mänger med adderar strukturer.

Page 39: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Det var lite om funktionaliteten.

Nu till prestanda.

Page 40: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

• Hastighet

• Effektförbrukning

L är kanallängden vilket refereras till som

processen, technology, technology node, …

Anges i meter.

Vad är den idag?

Page 41: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

DrainSource Gate

CDB

n+n+

CG

CGD

CGS

CSB

Xd

tox

Kapacitanser: påverkar hastigheten

Bulk Cap.

Junction Cap.

Overlap Cap.

Page 42: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Hastighet: en enkel model

2

L

)( TDD

DDpd

VVk

VCT

Stor kapacitans ger långsamma kretsar:

Page 43: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Hastighet: en enkel model

Stor kapacitans ger långsamma kretsar:

2

L

)( TDD

DDpd

VVk

VCT

Uin Uut R

C RCteEtv

/1

Liten RC a snabbare

Stor R or C a långsammare

tid

V

Page 44: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Hastighet: en enkel model

mindre transistorer a lägre kapacitans a snabbare kretsar

2

L

)( TDD

DDpd

VVk

VCT

Så vad är problemet?

Page 45: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Hastighet: en enkel model

mindre transistorer a lägre kapacitans a snabbare kretsar

2

L

)( TDD

DDpd

VVk

VCT

Så vad är problemet?

VDD?

Page 46: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Hastighet: en enkel model

2

L

)( TDD

DDpd

VVk

VCT

fkV

CT

DD

Lpd

1

om TDD VV

Stor approximation idag!

Page 47: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Avståndet mellan VDD and VT

har minskat.

Shouri Chatterjee, Yannis Tsividis and Peter Kinget,

Analog Circuit Design Techniques at 0.5V

Olika VT ger olika

karakteristik

Page 48: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Hastighet: en enkel model

2

L

)( TDD

DDpd

VVk

VCT

fkV

CT

DD

Lpd

1

om TDD VV

Så hastigheten är proportionell mot VDD.

Varför inte öka den?

Page 49: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Hastighet: en enkel model

2

L

)( TDD

DDpd

VVk

VCT

fkV

CT

DD

Lpd

1

om TDD VV

Så hastigheten är proportionell mot VDD.

Varför inte öka den?

Effektförbrukningen ökar och

små transistorer tål inte stora spänningar!

Page 50: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Effektförbrukningen hos CMOS

staticdynamictotal PPP

Historiskt den viktigaste.

Ignorerades tidigare

men nu viktigt.

Page 51: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Dynamisk Effektförbrukning

Uppladdning

V DD

Urladdning

2

dynamic L DDP f C V

Pdynamic varierar med kvadraten på VDD

a vi vill minska den

a långsammare kretsar

Page 52: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Statisk effektförbrukning:

vad är strömmen när ingångarna ligger

fast på högt eller lågt?

Linear Saturation V DD

Page 53: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Statisk effektförbrukning

på grund av läckströmmar.

Ileakage increases with

decreasing VT

Pstat =Ileakage VDD

Drain Leakage

I leakage

Subthreshold

Current

V DD

Page 54: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

VT skalning:

trade-off mellan VT och IOFF

Men vad var bra med låg VT?

Performance vs

Leakage:

VT a IOFF

High VT

VG

VTH

ln

( I D

S)

IOFFH

Low VT

VTL

IOFFL

När VT minskar ökar läckströmmarna!

Snabbare kretsar!

Page 55: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Trender inom effektförbrukning

From

OptimizationDSP Architecture Design Essentials

By Dejan Markovic (UCLA) and Robert W. Brodersen (UC Berkeley)

Page 56: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

So what do we do?

High VDD needed for high speed a

High Power consumption!

– One possibility: parallel processing!

Low VT needed for high speed a

High leakage power!

– Two possibilities:

• Multiple VT

• Find ways to reduce leakage, e.g. power gating

Page 57: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

The end of ”some” scaling!

Page 58: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Going Multicore, e.g. Intel SandyBridge!

• 32 nm – 64 bit

• 4 995 000 000 Transistors

• ~3.5 GHz

• 216 mm2 (10x Pentium 4)

Page 59: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Going sub-threshold: long pursued in research. - Intel September 2011!

Page 60: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

2007-09-03 ESS010 - Konsumentelektronik:

Överblick

60

p -

n + n +

Gate Drain Source

Gate-oxid

(isolerande)

substrat

WAFER

MOS transistorn

Page 61: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Nya typer av

transitor…FinFET/TriGate

“Going from flat to three-dimensional in the conservative

microchip industry is a radical shift, but as Leo Mathew, a

research scientist at Freescale Semiconductor, says, the payoff

will be substantial.”

Finns i Intels senaste processorer!

Page 62: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

…and new technologies!

Page 63: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

You can learn more in

ETIN20 Digital IC-design.

Page 64: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Computational Platforms

What options do we have?

What are the trade-offs?

Page 65: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Software vs. Hardware

Algorithm

Dedicated

Hardware

Processor

• Programmable

• “Low” Design cost

CPUs, micro processors,

micro controllers, …

• Process chips

• High Performance

• Low Power

• High cost

Programmble

Hardware

• Reconfigurable hardware

• No processing

Programble Logic Devices

(PLD): PLA, PAL, FPGAs, Gate

array (include processing), …

Page 66: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Software or Hardware?

• Flexibility

• Performance Requirements

– Power Consumption

– Throughput

• Cost

– Volume

– Know how

– Time to Market

Page 67: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Dedicated Hardware Architecture, i.e. you design hardware that makes what you want!

Special Purpose

PLD, e.g. FPGA

PLDs:

PAL, Field Programmable

Gate Arrays,…

• Reconfigurable

• Fast Turn Around

• Prototyping

Gate Array

ASIC

Application/Algorithm

Specific Integrated Circuit

• High Calculation Capacity

• High Utilization

• Low Power

• Low Price at Volume

Page 68: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Energy efficiency (MOPS/mW)

0,01

0,1

1

10

100

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

En

erg

y a

nd

Are

a E

ffic

ien

cie

s

Chip Number (see next slide)

Microprocessors Dedicated

Designs

General

Purpose

DSP’s

Courtesy: Professor Bob Brodersen, UC Berkeley

Page 69: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

1

10

100

1000

10000

100000

0 2 4 6 8 10 12

SNR (db)

Re

lati

ve

Co

mp

lexit

yThe Cost of Approaching Shannon’s Bound

Courtesy Engling Yeo, UCB

8/9 Turbo, =4, N=4k

2/3 Turbo, =4, N=64k 1,2, and 3 iterations

1/2 Turbo, =4, N=64k 1,2,

and 3 iterations

8/9 LDPC, N=4k 1,3, and 5 iterations

8/9 Conv. Code, =3, N=4k

1/2 Conv. Code, =4, N=64k

2/3 Conv. Code, =4, N=64k

8/9 Capacity Bound

2/3 Capacity Bound

1/2 Capacity Bound

1/2 LDPC, N=107, 1100 iterations

for BER of 10-5

Page 70: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

1

10

100

1000

10000

100000

0 2 4 6 8 10 12

Re

lati

ve

Co

mp

lexit

y

SNR (db)

The Cost of Approaching Shannon’s Bound

Courtesy Engling Yeo, UCB

1/2 Turbo, =4, N=64k 1,2,

and 3 iterations

1/2 Conv. Code, =4, N=64k

1/2 Capacity Bound

1/2 LDPC, N=107, 1100 iterations

for BER of 10-5

LDPC-codes were proposed by Gallager in 1963.

However, they were considered of limited practical

use due to the implementation complexity. Now

LDPC-codes are in standards.

Page 71: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Tx

Tx

Tx

Tx

Data

Rx

Rx

Rx

Rx

High complexity

receiver

Symbol

Detection

Channel

Estimation

Matrix

Inversion

r = Hs + n

H ^ H-1 ^

s = H-1r ^ ^

QR-factorisation

PE PE PE

PE PE

PE

PE

PE PE

PE PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

Inversion of triangular sub-

matrix

S/P

Multiple Antenna Systems – e.g. MIMO

• Multi-antenna approach exploits multi-path by sending data along several channels

• Results in large theoretical improvements in bandwidth efficiency for fading channels

• But…computationally hungry

Page 72: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

MIMO Hardware perspective

Rx

Rx

Rx

Rx

Symbol

Detection

Channel

Estimation

Matrix

Inversion

r = Hs + n

H ^ H-1 ^

s = H-1r ^ ^

Tx

Tx

Tx

Tx

Data S/P

WLAN 802.11n Example

Modulation 256QAM; 4 Tx antennas; 108 sub-channels, 4s per symbol

ML detection 1.159 x 1017 lattice points/sec

Current DSP technology is 1G inst/s 108 processors!

OR (“Moores Law” ..... processor capability doubles every 18 months)

MUST WAIT 40years!

Mike Faulkner 2005, Victoria Univ.

Page 73: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

B

E

R Sub-optimal QPSK

(square-root) 0.35 μm

Sphere 16QAM 0.35 μm

+ Soft Output 0.13 μm

#mult/

symbol

Trading Complexity – 4x4 antennas

ML-detection

Page 74: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

MIMO going Massive

World Unique testbed

• 300kg

• 5kW@start-up

• Lots of cables!

In cooperation with

National Instruments (NI)!

Page 75: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

LuMaMi:

Lund Massive Mimo Testbed

50 NI USRP: 2 radio chains each

a 100 simultaneous antennas

Xilinx Kintex-7

That is where

the power is going!

Page 76: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

FPGA: Virtex from Xilinx BANK 0 BANK 1

BANK 5 BANK 4

BA

NK

6

BA

NK

7

BA

NK

3

BA

NK

2

IOB

Block RAM

CLB

Timing

Routing

Page 77: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Example: Xilinx FPGAs

CLB CLB

CLBCLB

Horizontal

Routing

Channel

Vertical

Routing

Channel

Interconnect

point

Switching

matrix

Configurable Logic Block

R

Q 1 D

CE

R

Q 2 D

CE

F

G

F

G

F

G

R

D in

Clock

CE

F

G

A

B/Q 1 /Q 2

C/Q 1 /Q 2

D

A

B/Q 1 /Q 2

C/Q 1 /Q 2

D

E

Combinational logic Storage elements

Any function of up to

4 variables

Any function of up to

4 variables

Page 78: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Basic Spartan Architecture – Low end FPGA

Page 79: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Xilinx Virtex-II Pro – Heterogeneous Programmable Platforms

Courtesy Xilinx High-speed I/O

Embedded PowerPc

Embedded memories

Hardwired multipliers

FPGA Fabric

Page 80: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Examples of FPGA Development Boards e.g. from Digilent (http://www.digilentinc.com)

Nexys4 Board • US$320/179 full/academic (2014)

• Xilinx Artix -7 FPGA

• 128Mbit serial Flash

• Serial port, Ethernet, VGA port, 3-axis accelerometer,

PWM audio output, Temperature sensor, microphone,

USB for mice, keyboards and memory sticks

• etc

Virtex-V Board • US$2199/799 full/academic (2014)

• Virtex-5 FPGA

• 256MB DDR2 + 2 x 32MB Flash + more

• JTAG, Ethernet, Video input, Video (DVI/VGA) output,

Stereo AC97 codec with line in, line out, headphone,

microphone, and SPDIF digital audio

• etc

Page 81: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Some remarks on FPGAs

Fantastic development platforms.

Offers lots of processing resources.

However:

• They are not low power

• Hardware uilization is rather low

• Lots of resources in configuration and routing

Page 82: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Other Platforms

Arduino Arduino is a tool for making computers that can sense

and control more of the physical world than your

desktop computer.

It's an open-source physical computing platform

based on a simple microcontroller board, and a

development environment for writing software for the

board.

Raspberry Pi From www.raspberrypi.org

“The Raspberry Pi is a low cost, credit-card sized

computer that plugs into a computer monitor or TV,

and uses a standard keyboard and mouse. It is a

capable little device that enables people of all ages to

explore computing, and to learn how to program in

languages like Scratch and Python. “

Page 83: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Memories are a crucial part of

most designs.

Page 84: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Cell-phone ASIC complexity and cost

Courtesy: Sven Mattisson, Ericsson

Page 85: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Market for Memories According to a new technical market research report, semiconductor Memory: Technologies and Global Markets, the value of the global semiconductor memory industry was nearly $46.2 billion in 2009, but is expected to increase to nearly $79 billion in 2014, for a 5-year compound annual growth rate (CAGR) of 11.3%.

The largest segment of the market, DRAM, or dynamic random access memory, is projected to increase at a CAGR of 10.4% to $41.5 billion in 2014, after being valued at nearly $25.2 billion in 2009.

NAND, or nonvolatile/NANO RAM, which is the second-largest segment of the market, is estimated at $12.8 billion in 2009, and is expected to increase at a 5-year CAGR of 15% to reach more than $25.7 billion in 2014.

Source: Semiconductor Memory: Technologies and Global Markets, April 2010

From http://www.electronics.ca/presscenter/articles/1272/1/Global-Market-For-Semiconductor-Memory-To-Be-Worth-79-Billion-In-2014/Page1.html

Report Price: Price:USD $4,850.00!!!

Motivation behind the quest for new memory technologies!

Page 86: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Example: FFT Design

8k points FFT for DVB (Digital Video Broadcasting)

1996-97 in 0.5m CMOS

Several embedded

memories who’s

properties and size

is crucial to the

implementation

Page 87: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Sequential Circuits & D flip-flop

From Lecture 3.

Properties:

• can be dynamic or static

• Latch or Register

• Latch - level sensitive

• Register - edge triggered

Flip-flop most often refer to an

edge triggered register.

Page 88: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

We have registers, why memories?

Static D Flip-flop : 252µm2 SRAM Memory element :

30µm2

0.35µm CMOS technology process

Page 89: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Flip-flops vs. SRAM

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

memory elements

square

mm

Flip-flops

Dual port memory

Single port memory

Double width memory

Alcatel Microelectronics 0.35µm CMOS technology process

Process and library dependent.

Flip-flops

SRAM

Page 90: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

A memory is more than the storage

elements, i.e. the memory cells.

Address decoders, sense amplifiers,

clock buffers, etc

Page 91: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

The Complete Memory

An Overview of Logic Architectures Inside Flash Memory Devices

ANDREA SILVAGNI, GIUSEPPE FUSILLO, ROBERTO RAVASIO, MASSIMILIANO PICCA, AND STEFANO ZANARDI

PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 91, NO. 4, APRIL 2003

Memory

array

Page 92: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo NMOS ROM

WL[0]

V DD

Pull Up

WL[2]

WL[3]

WL[1]

BL[3] BL[0] BL[1] BL[2]

The placements of transistors decide memory content.

Do we recognize this?

Page 93: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo-NMOS Gates

V DD

B

GND

A

OUT

Pull up network

= load device

Pull down network

Properties:

+ fewer transistors

-Static power consumption

- Low input ”not 0”

Function?

A B OUT

0

1

1

1 1

0

0

0

Page 94: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo NMOS NAND ROM

All transistors ON

pulls down Bit Line

Non-selected WL =1

WL lines reversed

A B Q

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Select WL[2] a WL[0,1,3]=1 and WL[2] = 0

1

1

0

1

on

on

on

off off

Transistor on selected line shuts off path to GND

WL[0]

V DD

Pull Up

WL[2]

WL[3]

WL[1]

BL[3] BL[0] BL[1] BL[2]

Page 95: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo NMOS NOR ROM

NMOS NOR ROM GND lines overhead

Area Reduced by Mirroring

One transistor ON

pulls down Bit Line

A B Q

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0 No transitors

= always

pulled up

BL[0]

V DD

Pull Up

BL[1] BL[2] BL[3]

GND

GND

WL[2]

WL[3]

WL[1]

WL[0]

Page 96: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Pseudo NMOS NOR ROM

NMOS NOR ROM GND lines overhead

Area Reduced by Mirroring

One transistor ON

pulls down Bit Line

A B Q

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

Select WL[2] a WL[0,1,3]=0 and WL[2] = 1

0 0 1 1

V DD

Pull Up

GND

GND

WL[2]=1

WL[3]=0

WL[1]=0

WL[0]=0

Page 97: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

ROM or PLA

AND

plane

A0/X0

OR

plane

f 0

f 1 A1/X1 A2/X2

But now we had NAND/NOR?

Page 98: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

AND - OR

NAND - NAND

NOR - NOR

Page 99: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

NOR or NAND?

• NOR is faster – no series transistors.

• NAND is smaller – no GND lines.

You can see this if you look at e.g. FLASH

memories

Page 100: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

What is a Flash memory?

• ROM – Read Only Memory

• RAM – Random Access Memory

• FLASH

Page 101: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

What is a Flash memory?

• ROM – Read Only Memory

– data doesn’t change

– data remain when powered down

• RAM – Random Access Memory

– data can be both read and stored

– data disappears when powered down

• FLASH

– data can be both read and stored

– data remain when powered down

Page 102: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Floating Gate Transistor (FAMOS) electrically programmable VTH

n + n +

Floating gate Control gate

• Control gate is connected to wordline

• Floating gate is left unconnected

– If charged heavily negative a High VTH a ”Never” a channel

– If charged removed a Low VTH a ”ordinary” operation

• EPROM, EEPROM and Flash has different ways of controlling

the charge of the floating gate

WL

BL

Page 103: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Flash EEPROM

Control gate

erasure

p- substrate

Floating gate

Thin tunneling oxide

n 1 source n 1 drain programming

Page 104: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

FLASH stucture

V DD

Pull Up

GND

GND

word2

word3

word1

word0

Floating gate transistors everywhere!

Page 105: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

FLASH write, e.g. trap charge V DD

Pull Up

GND

GND

word2

word3

word1

word0

= trapped charge. Transitor is always off a Same content as ROM.

Page 106: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Read-Write Memories (RAM)

• Static (SRAM)

– Data stored as long as supply is applied

– Large cells (6 transistors/cell)

– Fast

• Dynamic (DRAM)

– Periodic refresh required

– Small cells (1-3 transistors/bit)

– Slower

Page 107: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Dynamic or Static RAM

6-transistor SRAM Cell

WL

BL BL

M5 Q

M1 M3

M6

M4 M2

Q

V dd

M 1

C S

WL

BL

C BL

1-transistor DRAM

Compare dynamic latch/register

Page 108: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

How do we design today?

Page 109: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

Design Flow: a simplified view

HDL (VHDL/Verilog/...)

P&R

Cell library

Configuration Post-layout sim.

Simulation

Synthesis

Fabrication

Page 110: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

To move to a higher abstraction levels.

Algorithms, like for LDPC and MIMO, is often

developed in MATLAB or C/C++.

How can we easier get from there to hardware?

Is High Level Synthesis the answer?

SystemC, CatapultC, Vivado, etc

It’s getting there!?

Trend towards

High Level Synthesis

Page 111: Digitala integrerade kretsar - eit.lth.se · Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet,  Digitala integrerade kretsar: teknologi och metod

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

You can learn more in:

ETIN20 Digital IC-design,

EITF35 Introduction to

Structured VLSI Design

and

ETIN35/40 IC project 1 & 2