Technische Informatik I (SS 2006) Teil 1: Logik 1e: Zustandsautomaten.

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1 Technische Informatik I (SS 2006) Teil 1: Logik 1e: Zustandsautomaten

2 Technische Informatik I (SS 2006) Synchroner Zähler als Zustandsautomat Betrachte Zählerstand als Zustand Übergänge ohne Randbedingungen 0 31 2

3 Technische Informatik I (SS 2006) Zustandsautomat (1) Nur Ausgabe Hier Codierung möglich Keine Eingabe Takt und asynchroner Reset kein Eingang! Zustandsspeicher 0, 1, 2, 3 Flip-Flops Übergangsregeln Wenn 0, dann 1 Wenn 1, dann 2 Wenn 3, dann 4 Wenn 4, dann 0 Kombinatorische Logik Ausgabe Kombinatorische Logik

4 Technische Informatik I (SS 2006) Codierung der Zustände Natürliche Codierung: 0 ist 00 1 ist 01 2 ist 10 3 ist 11 Decodierung nicht nötig One-Hot Codierung: 0 ist 0001 1 ist 0010 2 ist 0100 3 ist 1000 Decodierung z.B. durch 4-zu-2-Kodierer

5 Technische Informatik I (SS 2006) Codierung der Zustände Bsp: Ampelfarben Rot ist 001 Gelb ist 010 Grün ist 100 Rot-Gelb ist 011 Natürliche Codierung, verschwendet Flip- Flops Nur 4 Zustände, 2 FFs reichen aus, dichte Codierung Rot ist 10 Gelb ist 01 Grün ist 00 Rot-Gelb ist 11 Im Prinzip jede Codierung möglich (Schaltungsaufwand, Timing)

6 Technische Informatik I (SS 2006) Synchroner Zähler als Zustandsautomat Betrachte Zählerstand als Zustand Möchte Vorwärts- und Rückwärtszählen Eingang R 0 31 2 R=0 R=1

7 Technische Informatik I (SS 2006) Zustandsautomat (2) Eingänge Beeinflussen Übergangs- regeln Zustandsspeicher 0, 1, 2, 3 Flip-Flops Übergangsregeln Wenn 0, dann 1 Wenn 1, dann 2 Wenn 3, dann 4 Wenn 4, dann 0 Kombinatorische Logik Ausgabe Kombinatorische Logik Eingänge

8 Technische Informatik I (SS 2006) Definitionen (Zustands-)Automat (state machine): System, dass verschiedene Zustände annehmen kann Übergänge hängen von Eingangsvariablen ab Endlicher Automat (finite s.m.) Nur begrenzte Anzahl von N Zuständen Deterministischer Automat Eingangsinformation und Vorzustand bestimmen Verhalten eindeutig Endlicher, deterministischer Automat …Grundlage der Prozesssteuerung

9 Technische Informatik I (SS 2006) Zustandsautomat (3) Eingänge gehen nur in Übergangslogik Moore-Automat Eingänge gehen auch in Ausgabelogik Mealy-Automat Zustandsspeicher 0, 1, 2, 3 Flip-Flops Übergangsregeln Wenn 0, dann 1 Wenn 1, dann 2 Wenn 3, dann 4 Wenn 4, dann 0 Kombinatorische Logik Ausgabe Kombinatorische Logik Eingänge

10 Technische Informatik I (SS 2006) Moore vs. Mealy Moore Spezialfall von Mealy Mealy kann sofort reagieren Weniger FFs Mehr kombinatorische Logik Aber: kombinatorische Logik kann kritisch werden. Hazards, Spikes Mealy kann in Moore umgewandelt werden (1 Takt Zeitverlust)

11 Technische Informatik I (SS 2006) Ampelanlage - Aufgabenstellung Zwei kreuzende Straßen Hauptstraße (1) soll Grün haben Nebenstraße (2) soll Rot haben, bis Auto wartet Berücksichtigung von Fußgängern Beide Straßen Rot für Fußgängerphase Eingänge Auto wartet A=1 Fußgänger wartet F=1

12 Technische Informatik I (SS 2006) Ampelanlage - Zustandsdiagramm Grün A=0 & F=0 Gelb A=1 | F=1 RotF F=1 F=0 RotA RotGelbF Grün2 Gelb2 ZustandAmpel1Ampel2Fußgänger Grün Gelb RotF RotGelbF RotA Grün2 Gelb2

13 Technische Informatik I (SS 2006) Wahl der Codierung 7 Zustände: Dichte Codierung benötigt 3 FFs XYZ Ausgänge Bsp: A1Rot=X|(¬X&Y&¬Z) Simulation ZustandAmpel1Ampel2Fußgänger Grün Gelb RotF RotGelbF RotA Grün2 Gelb2 XYZ 000 001 010 011 100 101 110

14 Technische Informatik I (SS 2006) Schaltungsentwurf Hier nur erste 4 Übergänge (Achtung: 000- Schleife fehlt!) Grün Gelb RotF RotGelbF 000 001 010 011 J Q ¬Q J Q ¬Q J Q ¬Q Auto Fuss

15 Technische Informatik I (SS 2006) Kombinatorische Logik als ROM Fasse die 3 FF- Ausgänge + 2 Eingänge als Adresse auf Die 3 Übergangs- Ausgänge und 8 Ampellichter als Bitmuster: 32 Wörter à 11 Bit ROM=Read Only Memory XYZAFXYZ111222FF 00000000 001 100 10 00001001 001 100 10 00010001 001 100 10 00011001 001 100 10 00100010 010 100 10 00101010 010 100 10

16 Technische Informatik I (SS 2006) Kombination von Zustandsmaschinen Schlecht: Fußgänger drückt kurz, Zustand geht von Grün nach Gelb, was macht Maschine? Normale Ampel; Fußgänger drückt, Licht geht an Brauchen Start-Stop-Logik (War selbst schon Automat) Start/Stop Fußgänger Ampel F Reset F-Ampel Rot

17 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung Kapitel 1 Grundgatter UND, ODER, NICHT als boolsche Funktionen Schaltfunktionen und –netze als Funktionstabelle oder kombinatorisch Umwandlungen der Implementierung Paralleladdierer, -subtrahierer, -multiplizierer Kombinatorische Logik begrenzt Zustandsspeicher: Flip-Flop Zähler

18 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung Kapitel 1 Schieberegister Serieller Addierer, Subtrahierer, Multiplizierer Codierung von Zuständen allgemein Übergänge von Zuständen Moore und Mealy-Automaten Funktions- und serielles Verhalten in ROM

19 Technische Informatik I (SS 2006) Logik verstanden Wie implementieren?

20 Technische Informatik I (SS 2006) Historische Entwicklung Diverse mechanische Ansätze Steuerung Webstuhl

21 Technische Informatik I (SS 2006) Historische Entwicklung Holerith- Tabelliermaschinen Vorläufer der Datenbank Lochkarten mit vorgedachten Merkmalen (ursprünglich für Volkszählung) Noch bis Mitte des 20sten Jahrhunderts benutzt In IBM aufgegangen

22 Technische Informatik I (SS 2006) Konrad Zuse (1910-1995) Mechanischer Rechner Z1 1934- 38 1941 Relaisgesteuerte Z3 1956 Z23 mit Transistoren Zuse KG 1969 in Siemens aufgegangen

23 Technische Informatik I (SS 2006) Historische Entwicklung Elektromechanische Computer (Z3) Eniac: Röhren

24 Technische Informatik I (SS 2006) Telefon Automatische Telefonvermittlung Siegeszug der Telekommunikation im 20ten Jahrhundert

25 Technische Informatik I (SS 2006) Teil 2: Integrierte Schaltungen 2a: Halbleiter

26 Technische Informatik I (SS 2006) Vom Atom zum Festkörper Atom Diskrete Energieniveaus: 1s, 2s, 3p 2-atomiges Molekül: Gemeinsame Orbitale Aber: Pauli-Prinzip Energieniveaus müssen aufspalten Aufhebung der Energieentartung Festkörper Mehrere Mole an Atomen Zustände nicht mehr unterscheidbar (Bänder)

27 Technische Informatik I (SS 2006) Abstand der Bänder Besondere Bänder: Valenzband (VB) (äußere Elektronen) Leitungsband (LB) Leer bei T=0K Nichtleiter: VB gefüllt, LB leer Abstand LB und VB groß (ca 5 eV) Elektronen können sich in VB nicht bewegen (Enegieaufnahme) Leiter: VB nur zum Teil gefüllt oder VB und LB überlappen

28 Technische Informatik I (SS 2006) Halbleiter vs. Isolatoren Lücke kann durch themische Bewegung übersprungen werden Fermi-Statistik Isolatoren: > 1000K Halbleiter: Bei Raumtemperatur geringe Eigenleitung 1mm² Ge-Draht hat 0,5MO Widerstand sinkt bei steigender Temperatur

29 Technische Informatik I (SS 2006) Thermische Bewegung

30 Technische Informatik I (SS 2006) Si (Silizium) 4. Hauptgruppe Tetraeder-Struktur Ge: Auch 4-wertiger Halbleiter

31 Technische Informatik I (SS 2006) N-dotiere Halbleiter Ersetze Anteil an Si-Atomen mit fünfwertigen Atom (Dotierung) 1 ungepaartes Elektron Festkörper nicht elektrisch geladen Aber: freie Landungsträger bei Raumtemperatur - Si As Si +

32 Technische Informatik I (SS 2006) N-dotiere Halbleiter

33 Technische Informatik I (SS 2006) P-dotierte Halbleiter Dotiere Si (oder Ge) mit 3-wertigen Atomen Ungepaartes Elektron am benachbarten Si-Atom Wirkt als Akzeptor Elektronen werden hier eingefangen Konzept der Löcher

34 Technische Informatik I (SS 2006) Teil 2: Integrierte Schaltungen 2b: Dioden & Transistoren

35 Technische Informatik I (SS 2006) Diode Bringen P- und N- Halbleiter zusammen Freie e - fallen in die Löcher

36 Technische Informatik I (SS 2006) Diode Es bildet sich Verarmungszone aus Nicht mehr el. Neutral (E- Feld) Potentialdifferenz Diffusionsspannung 0,1-0,8 V

37 Technische Informatik I (SS 2006) Diode Anlegen einer Spannung: + an N und – and P Freie Ladungsträger werden angezogen Verarmungszone wird größer Diode sperrt - an N und + and P Freie Ladungsträger werden in die Veramungszone gedrückt Verarmungszone wird kleiner Diode leitet

38 Technische Informatik I (SS 2006) Diode Einbahnstraße Schaltzeichen Leitet: (technische Stromrichtung) Sperrt: + - + - Anwendung: Gleichrichter

39 Technische Informatik I (SS 2006) LEDs Durch Rekombination der Löcher + Elektronen: Lichtaussendung: Schaltzeichen: Wichtig: Vorwiderstand

40 Technische Informatik I (SS 2006) Bipolarer Transistor Bringe Diodenpaar als Sandwich zusammen 2 Typen: NPN und PNP 3 Pole: Basis Kollektor Emiter Basis muss sehr schmal sein

41 Technische Informatik I (SS 2006) NPN-Transistor Spannung an Basis-Kellektor Sperrichtung D.h. + an N und – an P

42 Technische Informatik I (SS 2006) Transistor schaltet Legen nun Spannung mit positiver Polarität an Basis-Emiter an Teildiode in Durchlassrichtung Ladungsträger fließen weiter zum Kollektor Strom fließt vom Emmiter zum Kollektor Basisstrom klein (Basis schmale Schicht)

43 Technische Informatik I (SS 2006) Transistor als Verstärker Einige Elektronen fallen in die Basis-Löcher Ladung muss abgesaugt werden Kleiner Basis-Emmiter- Strom Aber: Emmiter-Kollektor- Strom ca. 100 mal größer Normale Anwendung: Emmitter-Kollektor- Spannung konstant Basis-Potential regelt

44 Technische Informatik I (SS 2006) Ziel: Müssen mit Transistoren und Dioden NICHT, UND, ODER bauen (oder NAND)

45 Technische Informatik I (SS 2006) Definitionen Spannungspegel: 5V als 1 0V als 0 Positive Logik 5V als 0, 0V als 1 Negative Logik Eingangsbereich toleranter als Ausgangsbereich Gatterlaufzeiten 3,3 V- Logik

46 Technische Informatik I (SS 2006) Inverter UE=0VUE=0V R= UA=5VUA=5V Potential an Basis U E =0V CE-Widerstand sehr groß Spannungsteiler liefert U A =5V Potential an Basis U E =5V CE-Widerstand gering Spannungsteiler liefert U A =0V Brauchen nur noch UND/ODER UE=5VUE=5VR=0 UA=0VUA=0V

47 Technische Informatik I (SS 2006) Diodenlogik UND-Gatter Einer der beiden Eingänge U 1,2 =0V Strom fließt Spannungsabfall an R maximal U a 0V ODER-Gatter Einer der beiden Eingänge U 1,2 =5V Strom fließt Spannungsabfall an R maximal U a 0V U1=5VU1=5V U2=0VU2=0VU2=5VU2=5V U1=5VU1=5V U2=0VU2=0V U1=0VU1=0V

48 Technische Informatik I (SS 2006) DTL – Dioden-Transistor-Logik Problem bei Diodenlogik: Spannungsteiler Für jedes Gatter sinkt Pegel… (bei 5V) …bzw. steigt Pegel (bei 0V) Lösung: Inverter-Verstärker- Stufe Bsp: DTL-NAND-Gatter

49 Technische Informatik I (SS 2006) TTL Ersetze Dioden durch Multi-Emitter- Transistor Schneller als DTL (10ns)

50 Technische Informatik I (SS 2006) TTL Gegentakt-Endstufe: T2 sperrt UX=5V T3 leitet, T4 sperrt T2 leitet UX=0V T3 sperrt, T4 leitet Einer der beiden Transistoren T3,4 leitet Gatter kann Strom aufnehmen und abgeben UXUX

51 Technische Informatik I (SS 2006) Tristate E Zusätzlicher Enable- Eingang: E=0 T2 sperrt und damit T4 Über Diode wird Basis von T3 auf Lo gezogen T3 sperrt Ausgang hochohmig

52 Technische Informatik I (SS 2006) Bus mit Geräten Bus Gerät 1Gerät 3Gerät 2 Arbiter REQ1 ACK1REQ2 ACK2 REQ3 ACK3 Alle Geräte hochohmig Enable nur wenn ACK=1

53 Technische Informatik I (SS 2006) Schottky Schottky-Dioden Nur Elektronen an Ladungstransport beteiligt Schnell (ps-Bereich) Begrenzt Basis-Emitter-Strom durch Durchschalten Schneller als TTL (3ns) MetallN-Zone

54 Technische Informatik I (SS 2006) ECL Referenzspannung U r =-1,3 V Ist x 1 UND x 2 < U r T 1 und T 2 sperren und T 3 leitet Sonst sperrt T 3 Gatterlaufzeit 0,7ns Verlustleistung 3-5 mal höher als TTL

55 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung Halbleiter: Leiten effektiv nur bei Dotierung Diode: Einbahnstraße der Elektronik Transistor: Elektronischer Schalter/Verstärker Schaltungen mit bipolaren Transistoren TTL/ECL Nachteile/Grenzen von Schaltungen mit bipolaren Transistoren Große Fläche auf Chip Bipolare Transistoren sind stromgesteuert Höherer Aufwand bei integrierter Technik

56 Technische Informatik I (SS 2006) J-FET Source-Drain-Fluss schnürt sich ab wenn Spannung steigt Abschnürspannung kann mit Gatespannung geregelt werden Junction Field Effective Transistor

57 Technische Informatik I (SS 2006) Aufbau in Integrationstechnik

58 Technische Informatik I (SS 2006) Herstellungsschritte

59 Technische Informatik I (SS 2006) MOS-FET P-Substrat n-n- n+n+ n+n+ SiO 2 SourceDrain Gate Bulk Sehr hoher Eingangswiderstand >10 12 Leitender n - -Kanal Gate negativ gegen Source Ladungsträger werden verdrängt Verarmungstyp n-Kanal p-Kanal

60 Technische Informatik I (SS 2006) MOS-FET P-Substrat n+n+ n+n+ SiO 2 SourceDrain Gate Bulk Anreicherungstyp Durch positive Spannung gegen Bulk n-Ladungsträger reichern sich an Gate an n-Kanalp-Kanal

61 Technische Informatik I (SS 2006) MOSFET n-Typ leitet: Wenn U Gate >U Source p-Typ leitet Wenn U Gate <U Source

62 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS Complemetary Metal Oxide Semiconductor Benutzt N- und P-Typ Versorgungsspannung 5V oder 3,3V

63 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-Inverter n-Typ leitet: Wenn U Gate >U Source p-Typ leitet Wenn U Gate <U Source

64 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-Inverter: Stromverbrauch Floating- Eingang: Beide Transistoren leiten Kann Gatter zerstören Vermeiden! Eingang 1 oder 0 (Nahezu) kein statischer Stromverbrauch Aber: Dynamisch durch Umladen der Kapazitäten Bsp: Gate-Kapazität 10fF (Gering) Kapazität der Leitungen 1pf Bsp: 1% Aktivität, 200MHz I=N*(C*U)/dt =1%*1.000.000*1pF*3,3V/5ns =6,6A

65 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-NAND n-Typ leitet: Wenn U Gate >U Source p-Typ leitet Wenn U Gate <U Source

66 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-Transceiver Durchleitung beider Zustände

67 Technische Informatik I (SS 2006) TTL vs. CMOS FamilieLeistung/ Gatter Laufzeit Standard-TTLTTL10mW10ns Schottky-TTLS-TTL20mW3ns Low-Power-S-TTLLS-TTL2mW9ns Advanced-LS-TTLALS-TTL1mW4ns FamilieLeistung/ Gatter/ MHz Laufzeit CMOSC0,3mW90ns High-Speed-CMOSHC0.5mW10ns Advanced-CMOSAC0,8mW3ns

68 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung Halbleiter: Leiten effektiv nur bei Dotierung Diode: Einbahnstraße der Elektronik Transistor: Elektronischer Schalter/Verstärker Schaltungen mit bipolaren Transistoren TTL/ECL Nachteile/Grenzen von Schaltungen mit bipolaren Transistoren Große Fläche auf Chip Bipolare Transistoren sind stromgesteuert Höherer Aufwand bei integrierter Technik

69 Technische Informatik I (SS 2006) Teil 2: Integrierte Schaltungen 2c: CMOS

70 Technische Informatik I (SS 2006) J-FET Source-Drain-Fluss schnürt sich ab wenn Spannung steigt Abschnürspannung kann mit Gatespannung geregelt werden Junction Field Effective Transistor

71 Technische Informatik I (SS 2006) Aufbau in Integrationstechnik

72 Technische Informatik I (SS 2006) Herstellungsschritte

73 Technische Informatik I (SS 2006) MOS-FET P-Substrat n-n- n+n+ n+n+ SiO 2 SourceDrain Gate Bulk Sehr hoher Eingangswiderstand >10 12 Leitender n - -Kanal Gate negativ gegen Source Ladungsträger werden verdrängt Verarmungstyp n-Kanal p-Kanal

74 Technische Informatik I (SS 2006) MOS-FET P-Substrat n+n+ n+n+ SiO 2 SourceDrain Gate Bulk Anreicherungstyp Durch positive Spannung gegen Bulk n-Ladungsträger reichern sich an Gate an n-Kanalp-Kanal

75 Technische Informatik I (SS 2006) MOSFET n-Typ leitet: Wenn U Gate >U Source p-Typ leitet Wenn U Gate <U Source

76 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS Complemetary Metal Oxide Semiconductor Benutzt N- und P-Typ Versorgungsspannung 5V oder 3,3V

77 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-Inverter n-Typ leitet: Wenn U Gate >U Source p-Typ leitet Wenn U Gate <U Source

78 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-Inverter: Stromverbrauch Floating- Eingang: Beide Transistoren leiten Kann Gatter zerstören Vermeiden! Eingang 1 oder 0 (Nahezu) kein statischer Stromverbrauch Aber: Dynamisch durch Umladen der Kapazitäten Bsp: Gate-Kapazität 10fF (Gering) Kapazität der Leitungen 1pf Bsp: 1% Aktivität, 200MHz I=N*(C*U)/dt =1%*1.000.000*1pF*3,3V/5ns =6,6A

79 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-NAND n-Typ leitet: Wenn U Gate >U Source p-Typ leitet Wenn U Gate <U Source

80 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-Transceiver Durchleitung beider Zustände

81 Technische Informatik I (SS 2006) TTL vs. CMOS FamilieLeistung/ Gatter Laufzeit Standard-TTLTTL10mW10ns Schottky-TTLS-TTL20mW3ns Low-Power-S-TTLLS-TTL2mW9ns Advanced-LS-TTLALS-TTL1mW4ns FamilieLeistung/ Gatter/ MHz Laufzeit CMOSC0,3mW90ns High-Speed-CMOSHC0.5mW10ns Advanced-CMOSAC0,8mW3ns

82 Technische Informatik I (SS 2006) Teil 2: Integrierte Schaltungen 2d: Speicher

83 Technische Informatik I (SS 2006) SRAM mit CMOS Inverter-Inverter-Zelle 2 FETs zum Abkoppeln Inverter mit 1 FET + 1R Aber: Platzbedarf eines Widerstands auf IC groß 6-Transistor-Zelle

84 Technische Informatik I (SS 2006) CMOS-D-FF

85 Technische Informatik I (SS 2006) Vor- und Nachteile Schnell (10ns) 6 Transistor-Zelle: hoher Flächenbedarf Hoher Stromverbrauch, bei hoher Geschwindigkeit und Speicherdichte Teuer

86 Technische Informatik I (SS 2006) Beispiel SRAM-Baustein von Samsung

87 Technische Informatik I (SS 2006) Schreib- und Lesezyklus

88 Technische Informatik I (SS 2006) DRAM Dynamisches RAM 1C+1FET Kondensator wird beim Lesen entladen Wieder beschreiben Ladungsverluste Refresh alle 2-8ms Lesen und Zurückschreiben Ca 1% der Zeit

89 Technische Informatik I (SS 2006) DRAM Realisierung Bis 4MBit: Gefaltet Über 4MBit: Deep Trench

90 Technische Informatik I (SS 2006) ROM / PROM ROM = Read Only Memory PROM = Programmable ROM

91 Technische Informatik I (SS 2006) EPROM EPROM = Erasable PROM Floating Gate zwischen Gate und Kanal Programmierung durch hohe Spannung (19V) Ladungsträger werden auf floating gate katapultiert Abschirmungseffekt Bestrahlung mit UV-Licht (20min) entlädt floating gate

92 Technische Informatik I (SS 2006) EEPROM Electrically Erasable PROM Durch- und Zurücktunneln durch Spannung (ca. 19V) möglich Fowler-Nordheim-Effekt Auch als schnelles Flash-EEPROM machbar Mehrere MB/s >10 5 Zyklen möglich

93 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung RAM: SRAM-6-Transistor-Zelle, DRAM: Kondensator ROM: PROM, EPROM EEPROM: Einsatz als Flash (Memory-Stick, Digitale Kameras…)

94 Technische Informatik I (SS 2006) Teil 2: Integrierte Schaltungen 2e: Herstellung

95 Technische Informatik I (SS 2006) IC-Entwicklung 1948: Erfindung des Bipolartransistors Bell Labs (AT&T), Bardeen, Shockley, Brattain 1960 MOSFET 1962: Integrierte Schaltung (IC=integrated circuit) Jack Kilby (Texas Instruments)

96 Technische Informatik I (SS 2006) Größenverhältnisse 80 nm

97 Technische Informatik I (SS 2006) Produktionsschritte

98 Technische Informatik I (SS 2006) Herstellung des Wafers Polykristallines Rohsilizium Aus Quarzsand, nach Reinigung Impfkristall wird in Schmelze getaucht Tiegelziehen unter Drehung Czochalski-Verfahren

99 Technische Informatik I (SS 2006) Wafer Wird von IC- Herstellern erworben zur Markierung der Kristallorientierung WafergrößeZeitraum 3 = 76 mm1970-75 4 = 100 mm1975-80 5 = 125 mm1980-85 6 = 150 mm1985-90 8 = 200 mm1990-95 12 = 300 mm Pizza-Wafer 1995

100 Technische Informatik I (SS 2006) Produktionsschritte 1 Oxidschicht 2 Fotolack (Fotoresist) 3 Fotomaske I 4 Belichtung 5 Nach Belichtung 6 Wegätzen 7 Aufwachsen Oxidschicht 8 Entfernen Fotolack 9 Aufbringen Polysilizium 10 Aufbringen Fotolack 11 Maske 12 Wegätzen Fotolack 13 Wegätzen Polysilizium 14 Entfernung Fotolack 15 Bestrahlung mit Ionen 16 Siliziumoxid 17 Lack 18 Maske 19 Ätzen 20 Ätzen Polysilizium 21 Entfernen Fotolack 22 Aufbringen Metall 23 Fertiger FET

101 Technische Informatik I (SS 2006) IC-Herstellung Strukturherstellung durch Ätzen durch Implantierung

102 Technische Informatik I (SS 2006) Schichterzeugung Chemical Vapor Deposition (CVD) Bsp 1: TEOS (Tetraethyloxisilan) Si(OHCl 3 ) 4 + 700°C SiO 2 + H 2 O+H 2 +HCl Bsp 2: Ammoniak und Dichlorsilan: Si 3 N 4 -Schicht Weitere: Silizium-Oxynitrid (SiO x N y ), Polysilizium (Si), Titannitrid (TiN), Wolfram (W)…. Hitze Benötigte Schichten: Metalle Polysilizium Dielektrika: SiO2 und SiN

103 Technische Informatik I (SS 2006) Abscheidung Gaskonzentration Hoch Schnelles Wachstum Gefahr von Fehlstellen

104 Technische Informatik I (SS 2006) PVD (Physical Vapor Deposition) Abscheidung ohne chemische Reaktion Aufdampfverfahren, z.B Verdampfung von Al durch Heizung Sputtern (Kathodenstrahl- zerstäubung)

105 Technische Informatik I (SS 2006) Thermische Oxidation Sauerstoff reagiert direkt auf Silizium Temperatur > 800° Größtmögliche Reinheit Z.B. für Gateoxid Dicke 3-5nm 6-10 Atomlagen!

106 Technische Informatik I (SS 2006) Photolithografie Fotolack Aufbringen auf rotierende Scheibe (ca 1000 U/m) Ausheizung (Postbake) Belichtung Maske Quarzplatte, mit Chrom beschichtet 4-5 mal größer, optische Verkleinerung Danach weiteres Erhitzen (post exposure bake) Entwickeln Ätzen oder Implantieren Entfernung des Lackes

107 Technische Informatik I (SS 2006) Ätzen Zum Entfernen der Struktur unter entwickeltem Fotolack Isotropes Ätzen Zerstörung unter Fotolack Anisotropes Ätzen

108 Technische Informatik I (SS 2006) Nassätzen Mit mechanischer Unterstützung Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) Ohne Nass-chemisches Ätzen Rückätzen Sehr planar!

109 Technische Informatik I (SS 2006) Trockenätzen Bsp.: Reaktives Ionenätzen (RIE=reactive ion etching) Reaktor ähnlich zum Sputter-Reaktor Anisotropes Ätzen Nachteile: Schädigung unterliegender Schichten Inhomogenitäten

110 Technische Informatik I (SS 2006) Ionenimplantation Mit Beschleuniger Probleme: Schädigung der Kristallstruktur Wiederherstellung durch Tempern (Erhitzen) Durch Tempern Diffusion der Dotierstoffe Kurzzeittempern (RTP=rapid thermal processing) 1000-1100°C, 10-60 s

111 Technische Informatik I (SS 2006) Resultat Wiederholung aller Schritte 20-30 mal Resulat: Bsp: Pentium 4 300 mm-Wafer, 281 Chips (die) 42 Millionen Transistoren

112 Technische Informatik I (SS 2006)

113 Packaging Ausschneiden der dies Bonding In Gehäuse einschmelzen

114 Technische Informatik I (SS 2006) Packaging

115 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung Herstellung von integrierten Schaltungen Technologisch sehr aufwändig Waferproduktion mit reinem Rohsilizium Abwechselnd: Schichten aufbringen (CVD, PVD) oder Oxidation Fotolithographie Äzten (Nass-chemisch, Trockenätzen) Test & Packaging

116 Technische Informatik I (SS 2006)

117 Zusammenfassung Stunde 5 Herstellung von integrierten Schaltungen Technologisch sehr aufwändig Waferproduktion mit reinem Rohsilizium Abwechselnd: Schichten aufbringen (CVD, PVD) oder Oxidation Fotolithographie Äzten (Nass-chemisch, Trockenätzen) Test & Packaging

118 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung Stunde 5 Herstellung von integrierten Schaltungen Technologisch sehr aufwändig Waferproduktion mit reinem Rohsilizium Abwechselnd: Schichten aufbringen (CVD, PVD) oder Oxidation Fotolithographie Äzten (Nass-chemisch, Trockenätzen) Test & Packaging

119 Technische Informatik I (SS 2006) Teil 3: Programmierbare Logik 3a: Bausteine

120 Technische Informatik I (SS 2006) Programmierbare Matrizen abcy 0001 0011 0100 0110 1001 1010 1100 1110 DISJUKTIVE Normalform y ist nur dann 1, wenn Zeile zu 1 verknüpft: y 1 =¬a & ¬b & ¬c y 2 =¬a & ¬b & c y 5 = a & ¬b & ¬c Zeile verODERn: y=(¬a & ¬b & ¬c) | (¬a & ¬b & c) | (a & ¬b & ¬c)

121 Technische Informatik I (SS 2006) PLA y=(¬a & ¬b & ¬c) | (¬a & ¬b & c) | (a & ¬b & ¬c) Aufbau der UND- Matrix durch programmierbare Verbindungen Aufbau der ODER- Matrix durch programmierbare Verbindungen abcabc y PLA=Programmable Logic Array Allgemein: PLD=Programmable Logic Device

122 Technische Informatik I (SS 2006) y PLA Mehrere Ausgänge: Erfordert größere UND-Matrix Ressourcen- schonung durch programmierbare ODER-Matrix (Wiederverwendung der Produktterme) abcabc Vereinfachte Darstellung Eingänge von ODER- bzw. UND-Gatter werden zusammengefasst x

123 Technische Informatik I (SS 2006) Programmierung Z.B als PROM (durchtrennte Verbindungen) Mit EPROM/EEPROM/Flash Statisch, behält Informationen (z.B. board-controller) Programmierung meist durch Kabel RAM Wird gebootet wie Prozessor XC4000

124 Technische Informatik I (SS 2006) y PAL ODER-Matrix fest verdrahtet Schneller, aber weniger flexibel abcabc PAL=Programmable Array Logic x

125 Technische Informatik I (SS 2006) y Kombinatorische PALs abab Ausgänge werden (teilweise) wieder zurückgeführt

126 Technische Informatik I (SS 2006) Kombinatorische PALs Anwendung: Mehrstufige kombinatorische Logik Aufbau von kombinatorischen Flip-Flops Benutzung der Brückenleitungen sowohl als Eingang- als auch Ausgangspin Man bleibt flexibel! Schaltung der Pins durch interne Leitung

127 Technische Informatik I (SS 2006) PAL 16L8 10 Inputs 2 Outputs 6 flexible IOs

128 Technische Informatik I (SS 2006) PAL 16R6 Wahlweise mit FFs vor Feedback-Leitung Zustandsautomat!

129 Technische Informatik I (SS 2006) Zustandsautomat Eingänge Beeinflussen Übergangs- regeln Zustandsspeicher 0, 1, 2, 3 Flip-Flops Übergangsregeln Wenn 0, dann 1 Wenn 1, dann 2 Wenn 3, dann 4 Wenn 4, dann 0 Kombinatorische Logik Ausgabe Kombinatorische Logik Eingänge

130 Technische Informatik I (SS 2006) GAL=Gate Array Logic Makrozelle hat konfigurierbaren Ausgang Mit/ohne Register Ausgang/Eingang

131 Technische Informatik I (SS 2006) CPLD CPLD=Complex Programmable Logic Device Mehrere Logic Array Blocks (LABs) Verbunden über Netzwerk Speicherung in EEPROM

132 Technische Informatik I (SS 2006) CPLD Logic Block Logic Block Logic Block Logic Block I/O Programmable Interconnect PAL-Artige Struktur

133 Technische Informatik I (SS 2006) CPLD Bsp: Altera, MAX 7000

134 Technische Informatik I (SS 2006) Verbindungen CPLD Über PIA: Zeitverzögerung ist konstant Verhalten CPLD gut simulierbar

135 Technische Informatik I (SS 2006) CPLD-Optionen Programmierung meist über JTAG-Stecker Auch zum Testen… JTAG=Joint Test Action Group Eingebautes RAM Verhindert Verschwenden von Makrozellen

136 Technische Informatik I (SS 2006) FPGA Field Programmable Gate Array Logic Blocks werden durch 2D-Array verbunden

137 Technische Informatik I (SS 2006) Einordnung PLD SPLD HCPLD FPGACPLD PLAPAL Simple PLD High Capacity PLD Programmable Logic Array Programmable Array Logic Complex PLD Field Programmable Gate Array

138 Technische Informatik I (SS 2006) Hersteller XILINX (CPLD & FPGA), 49.2% Altera (FPGA) 31.2 % Lattice (CPLD), 10% div.

139 Technische Informatik I (SS 2006) XILINX-FPGA-Complex-Logic-Block Look-Up-Table Implementiert kombinatorische Logik …siehe Teil 1e FF zum (optionalen) Registrieren Für Zustandsautomaten

140 Technische Informatik I (SS 2006) LUT-Implementierung LUT als 16-Bit-RAM implementiert Bitstream lädt Latche Bsp: Input = 0001 Output soll = 1 sein Latch 2 muss mit 1 geladen werden 1

141 Technische Informatik I (SS 2006) LUT-Beispiel LUT A B C D Z A B C D Z WahrheitstabelleGatter-Implementierung LUT -Implementierung

142 Technische Informatik I (SS 2006) LUT als RAM XILINX-FPGA haben kein dediziertes RAM LUT mit Latche kann als RAM benutzt werden RAM16X1S O D WE WCLK A0 A1 A2 A3 RAM32X1S O D WE WCLK A0 A1 A2 A3 A4 RAM16X2S O1 D0 WE WCLK A0 A1 A2 A3 D1 O0 = = LUT or LUT RAM16X1D SPO D WE WCLK A0 A1 A2 A3 DPRA0DPO DPRA1 DPRA2 DPRA3 or

143 Technische Informatik I (SS 2006) LUT als Schieberegister LUT kann als Schieberegister konfiguriert werden DQ CE DQ DQ DQ LUT IN CE CLK DEPTH[3:0] OUT LUT =

144 Technische Informatik I (SS 2006) XILINX SPARTAN IIE CLB 2*4Bit-Eingänge Schnelle Carry-Logik verbinden benachbarte CLBs Für breite Zähler und Addierer

145 Technische Informatik I (SS 2006) Anbindung CLB Anbindung CLB an PSM (programmable switching Matrix) Long-Lines über gesamten Chip Direct-Lines von CLB zum Nachbarn

146 Technische Informatik I (SS 2006) XILINX Virtex-II Pro Eingebaute Multiplizierer 18*18 Bit Multi-Gigabit Transceiver Bis zu 4 IBM PowerPC Prozessoren

147 Technische Informatik I (SS 2006) Xilinx CPLD/FPGA Virtex-II CPLDs Low Power Spartan-IIE Density (System Gates) Features FPGAs SRAM-basiert 10K 600K 10M

148 Technische Informatik I (SS 2006) State-of-the-Art Xilinx Virtex-4 90nm process Up to 960 I/Os >200000 logic cells Up to 552 18kb block RAMs (~10Mb RAM) 192 DSP slices (18x18 multiplier- accumulator) 20 digital clock managers (DCM) 24 high-speed serial transceivers (622Mb/s to 11.1Gb/s) Up to four PowerPC 405 cores Altera Stratix-II 90nm process Up to 1170 I/Os 179000 logic elements 9.6Mb embedded RAM 96 DSP blocks: 380 18x18 multipliers 12 PLLs Serial I/O up to 1Gb/s No hard processor cores

149 Technische Informatik I (SS 2006) Problem: Wie kann man solche Chips programmieren?

150 Technische Informatik I (SS 2006) Teil 3: Programmierbare Logik 3b: Design

151 Technische Informatik I (SS 2006) Design-Flow Design Entry Schematic …wie Vorlesung bisher Hochsprache Z.B. VHDL Implementierung Tools von Hersteller Simulation Download Kabel oder externer Bus XC4000

152 Technische Informatik I (SS 2006) Design Ausgabe von Design Entry: Netlist (z.B. EDIF) Hersteller-Tools: Netlist einlesen Placement Routing Optimieren

153 Technische Informatik I (SS 2006) VHDL Very high speed integrated circuit Hardware Description Laguage (Textbasiert) Top-Down-Ansatz Sprache für Implementierung und Simulation

154 Technische Informatik I (SS 2006) Begleitung von Design-Entry… …bis zum Timing- Analyse Mehrere Simulationsschritte

155 Technische Informatik I (SS 2006) Grundkonzept ENTITY Definiert Ein- und Ausgänge (Black-Box) ARCHITECTURE Implementierung(en) Modul Libraries LIBRARY IEEE; use IEEE.std_logic_1164.all; use IEEE.std_logic_unsigned.all; std_logic: Zustände 0,1 Z: Tristate etc…

156 Technische Informatik I (SS 2006) ENTITY ENTITY modellname IS GENERIC parameterliste PORT interface deklarationen END modellname Beispiel: ENTITY and IS PORT (ein1: IN std_logic; ein2: IN std_logic; aus: OUT std_logic); END and

157 Technische Informatik I (SS 2006) ARCHITECTURE ARCHITECTURE and_arch OF and IS SIGNAL ein1, ein2, aus: std_logic BEGIN aus <= ein1 and ein2; END and_arch Statements zwischen BEGIN und END werden parallel abgearbeitet… …wenn es sich um nebenläufige Befehle handelt, wie: Process Concurrent Signal Assignment …

158 Technische Informatik I (SS 2006) Beispiel: Halbaddierer ENTITY halbaddierer IS PORT (a: IN std_logic; b: IN std_logic; sum: OUT std_logic; carry: OUT std_logic); END halbaddierer ARCHITECTURE halbaddierer_arch OF halbaddierer IS BEGIN sum <= a xor b after 5 ns; carry <= a and b after 5 ns; END halbaddierer_arch

159 Technische Informatik I (SS 2006) VHDL-Simulation Simulation erfolgt über TESTBENCH after-Statement wird nur in Simulation benutzt Mit GENERIC -Parameterlist können Variablen übergeben werden, Beispiel: In ENTITY : GENERIC (delay: TIME); In ARCHITECURE : a <= b and c after delay;

160 Technische Informatik I (SS 2006) Hierarchie Wiederverwendung des Halbaddierers in Volladdierer: ENTITY volladdierer IS PORT (a, b, cin: IN std_logic; sum: OUT std_logic; carry: OUT std_logic); END volladdierer

161 Technische Informatik I (SS 2006) Hierarchie ARCHITECTURE volladdierer_arch OF volladdierer IS BEGIN H1: halbaddierer port_map(IN1, IN2, s1, s3); H2: halbaddierer port_map(s1, c_in, sum, s2); c_out <= s2 or s3; END volladdierer_arch

162 Technische Informatik I (SS 2006) Konfiguration Auswahl der ARCHITECTURE: CONFIGURATION name_conf OF name IS FOR name_arch END FOR; END name_conf

163 Technische Informatik I (SS 2006) Prozesse [label:] process [(sensitivity_list)] [declarations] begin {sequential_statement} end process [label]; Definiert einen Prozess, der ständig neu ausgeführt wird Optional: sensitivity_list: Prozess wird ausgeführt, wenn signal in dieser Liste sich ändert Äquivalent: process (A,B)process beginbegin C <= A or B; C <= A or B; end; wait on A, B; end; Keine wait statements erlaubt wenn sensitivity_list deklariert

164 Technische Informatik I (SS 2006) Zustandmaschine: Arbiter Bus Gerät 1Gerät 3Gerät 2 Arbiter REQ1 ACK1REQ2 ACK2 REQ3 ACK3

165 Technische Informatik I (SS 2006) Zustandsmaschinen mit VHDL architecture BEHAVIOR of MOORE is type STATE_TYPE is (Idle, DEV1, DEV2, DEV3); signal CURRENT_STATE, NEXT_STATE: STATE_TYPE; ) begin -- Process to hold combinational logic COMBIN: process(CURRENT_STATE, REQ1, REQ2, REQ3) begin case CURRENT_STATE is when Idle => ACK1 <= '0'; ACK2 <= '0'; ACK3 <= '0'; if ( NOT REQ1='1' AND NOT REQ2='1' AND NOT REQ3='1') then NEXT_STATE <= Idle;

166 Technische Informatik I (SS 2006) Zustandsmaschinen mit VHDL (2) when DEV2 => ACK1 <= '0'; … if ( NOT REQ1='1' AND NOT REQ2='1' AND REQ3='1') then NEXT_STATE <= DEV3; elsif (REQ1='1' AND NOT REQ2='1') then NEXT_STATE <= DEV1; … end if; when DEV3 => … end case; end process; -- Process to hold synchronous elements (flip-flops) SYNCH: process begin wait until CLOCK'event and CLOCK = '1'; CURRENT_STATE <= NEXT_STATE; end process; end BEHAVIOR;

167 Technische Informatik I (SS 2006) VHDL-Beschreibungen Struktur- und Verhaltensbeschreibung möglich

168 Technische Informatik I (SS 2006) Alternativ: SystemC

169 Technische Informatik I (SS 2006) Alternativ: SystemC

170 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung Stunde 6 PLD=Programmable Logic Device PAL/PLA Programmierbar durch UND/ODER-Matrix Feedback-Leitungen Auch mit Register CPLD Viele PAL-artige Logic-Blöcke, meist mit EEPROM programmiert FPGA Kleinere Logic-Blöcke, dafür viele Komplexe Routing-Möglichkeiten Viele Optionen!

171 Technische Informatik I (SS 2006) Zusammenfassung Stunde 6 Designschritte: Design Entry (VHDL) Implementierung: Optimierung, Route & Place Download VHDL Hier nur (sehr) kurze Übersicht Wer mehr lernen möchte: VHDL-Praktikum ist Teil des Moduls Technische Informatik

172 Technische Informatik I (SS 2006) Was kann man mit programmierbarer Logik & VHDL machen? z.B. einen Prozessor bauen!

173 Technische Informatik I (SS 2006)