BL40A1711 Johdanto digitaalielektroniikkaan - Johdanto integroituihin digitaalipiireihin

Transkriptio

1 BL40A1711 Johdanto digitaalielektroniikkaan - Johdanto integroituihin digitaalipiireihin

2 Digitaalielektroniikka perustuu ohjattaviin kytkimiin Ohjattava kytkin, digitaalielektroniikan peruskomponentti Keskeisiä parametrejä: koko, tehonkulutus, hinta, luotettavuus ja kytkentänopeus Releet: 1930-luku Tyhjiöputket: 1940-luku Transistorit: 1950-luku Integroidut piirit: 1960-luku control input OFF input output ON Kuvat. Rele (ylä, vasen), tyhjiöputkia (ylä, oikea), erillisiä transistoreja (ala, vasen), IC-piiri (ala, oikea) [Lähde Wikipedia]

3 Debuggaus Vuonna 1945 yöperhonen jumittui yhteen Mark IItietokoneen releistä Harvardissa Tietokone saatiin toimimaan vasta kun yöperhonen poistettiin Tästä syntyi tietokonetermi debuggaus Kuvat. Kuva ensimmäisestä ötökästä, joka debugattiin v [Lähde, Wikipedia]

4 Mikä on integroitu piiri? Integroitu piiri on minityarisoity elektroniikkakytkentä, sisältää: Puolijohteita: (transistorit, diodit, triacit, etc.) Passiivisia komponentteja Vamistettu puolijohteen pinnalle, eriste- ja johdekerrosten avulla Historiaa: Jack Kilby (Texas Instruments) toteutti ensimmäisen IC-piirin vuonna 1958 Sisälsi transistorin ja passiivisia komponentteja germanium-alustalla Kuva. Integroitu piiri, Intel 8742, 8-bittinen mikrokontrolleri (2048 B EPROM, 128 B ram, f = 12 MHz) [Lähde Wikipedia]

5 Integroitujen digitaalipiirien luokittelu (1) Luokittelu voidaan toteuttaa monilla perusteilla, esimerkkejä: Digitaalipiirin sisältämien loogisten porttien lukumäärä Digitaalipiirin piitoteutuksessa käytetyn teknologian perusteella Logiikkapiiriperheen perusteella Piirin toteuttamien loogisten operaatioiden perusteella Loogisten porttien lukumäärään perustuva luokittelu Kategoria Porttien lkm Esimerkkipiiri SSI (small-scale integration) < 20 yksittäinen porttipiiri MSI (medium-scale integration) < 200 multiplekseri, laskuri LSI (large-scale integration) < pieni mikrokontrolleri VLSI (very large-scale integration) > muistit, mikroprosessorit, FPGA

6 Integroitujen digitaalipiirien luokittelu (2) Digitaalipiirit voidaan luokitella loogisia operaatioita toteuttavien elementtien toteutustekniikan perusteella (kytkimet) RTL (resistor-transistor logic,ei käytössä enää) DTL (diode-transistor logic, ei käytössä enää) TTL (bipolaaritransistoritekniikka, NPN- ja PNP-transistorit) Schottky-TTL (schottky-diodien avulla parannettu TTL) CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) BiCMOS (Bipolaari- ja CMOS-tekniikoiden yhdistelmä) ECL (emitter coupled logic) Jokaisessa perheessä perusportti/portit, joiden pohjalta kompleksisemmat piirit on toteutettu, usein (NAND/NOR) Jatkossa kenties hyödynnetään: Optisia kytkinelementtejä Nanoputkista tehtyjä kytkinelementtejä Yksittäisiä atomeja ja molekyylejä (kvanttitietokoneet)

7 Gordon Moore ja transistoritiheys piillä Minimihintaisten puolijohdekomponenttien transistoritiheys kaksinkertaistuu 24 kk:ssa *Gordon. Moore, 1965 Tiheyden kasvu == Laskentatehon kasvu Toimii teknologian ja tieteen kehitystä eteenpäin vievänä voimana Kuva: Wikipedia Moore, Gordon E. (1965). Cramming more components onto integrated circuits, Electronics Magazine.

8 Mitä Mooren laki merkitsee 20 vuoden aikajänteellä? Nokia E90 v. 2007, kuva Wikipedia Cray II supertietokone, v (Art s Metiers, Pariisi), kuva Wikipedia Vuonna 2007 modernin matkapuhelimen omistajalla on taskussaan 1980-luvun puolivälin supertietokoneen laskentateho. Matkapuhelimen tehonkulutus on arviolta 1/ supertietokoneen tehonkulutuksesta, koko 1/1000 ja hinta 1/ supertietokoneen hinnasta. Muistikapasiteetit ovat molemmissa laitteissa suurin piirtein toisiaan vastaavat

9 Muita esimerkkejä digitaalielektroniikan kytkinten kehityksen ymmärtämiseen Integroiduissa piireissä voi olla nykyisin jopa miljardi transistoria, pinta-alalla 1 cm 2 Yksittäinen transistori piirillä on luokkaa ~100 nm pitkä 1940 luvulla käytetty tyhjiöputken pituus on ~ 100 mm Jos kuvataan transistorin pituutta luottokortin paksuudella (0.5 mm) vastaa samassa skaalassa tyhjiöputken pituus 500 m pituista pilvenpiirtäjää Jos kuvataan transistoreja 5 snt kolikoilla, ja tyypillisen ison makuuhuoneen tilavuus on 40 m 3 (15 m 2 * 2.66 m) Miljardi 5 snt kolikkoa vaatii 400 m 3 tilavuuden, eli 10 makuuhuonetta

10 Integroitujen digitaalipiirien luokittelu Jännite Loogiset jännitetasot Lähtövirta Staattinen virta Etenemisviive Tulo Lähtö I OL I IL I CC t PD,MAX Perhe (V) Tekniikka V IL /V IH V OL /V OH (ma) (ma) (ma) (ns) AUC 1.8 CMOS CMOS CMOS AVC 2.5 CMOS CMOS CMOS ALVT 3.3 BiCMOS CMOS LVTTL LVT 3.3 BiCMOS LVTTL LVTTL ALVC 3.3 CMOS LVTTL LVTTL LVC 3.3 CMOS LVTTL LVTTL ALB 3.3 BiCMOS LVTTL LVTTL AC 3.3 CMOS CMOS CMOS AHC 3.3 CMOS CMOS CMOS LV 3.3 CMOS LVTTL LVTTL FCT 5 BiCMOS TTL TTL ABT 5 BiCMOS TTL TTL AHC 5 CMOS CMOS CMOS AHCT 5 CMOS TTL CMOS AC 5 CMOS TTL TTL ACT 5 CMOS TTL TTL F 5 Bipolaari TTL TTL BCT 5 BiCMOS TTL TTL HC 5 CMOS CMOS CMOS HCT 5 CMOS TTL CMOS AS 5 Bipolaari TTL TTL ALS 5 Bipolaari TTL TTL LS 5 Bipolaari TTL TTL S 5 Bipolaari TTL TTL TTL 5 Bipolaari TTL TTL

11 Integroitujen logiikkapiirien ominaisuudet Loogisten funktioiden toteutus elektroniikalla: materiaalien epäideaalisuudet ja fysiikan lait tuottavat rajoituksia toimintaan Riippuvaisia perusportin myös piitoteutuksessa käytetystä tekniikasta (kytkimen tyyppi / viivanleveys, etc.) Tyypillisimpiä parametreja: Käyttöjännite Jännitteet loogisille tiloille Fan-out Tehonkulutus (power dissipation) Etenemisviive (propagation delay) Kohinamarginaali/häiriömarginaali (noise margin) Nousunopeus (rise time) Laskunopeus (fall time) Suurin piirille sallittu tehonkulutus

12 Loogisten tilojen esittäminen jännitteellä Miksi jännitteellä esitetään binäärisiä tiloja? Helposti generoitavissa Liittyy runsaasti olemassa olevaa insinööritietoa Pieni tai olematon tehonkulutus stationaaritilassa Ongelmia, jotka liittyvät jännitteen hyödyntämiseen Herkkä ympäristön häiriöille Piiri tarvitsee DC-syöttöä Kytkennän RC-vakiot asettavat rajoja laitteiston suorituskyvylle

13 Loogisten tilojen esittäminen jännitteellä (2) Digitaalipiireille on määritelty (positiivinen, logiikka): Käyttöjännite (V cc ) Alin 1-tilan lähtöjännite (V oh ) Ylin 0-tilan lähtöjännite (V ol ) V CC Alin 1-tilan tulojännite (V ih ) Ylin 0-tilan tulojännite (V il ) V OH Tilan 1 tila 1 häiriömarginaali tila 1 V CC Nykyiset ratkaisut boolen algebran toteuttamiseen perustuvat bittin tilan kuvaamiseen kahdella jännitetasolla! V OL Määrittämätön tila Määrittämätön tila tila 0 tila 0 Tilan 0 häiriömarginaali 0 0 V IH V IL

14 Etenemisviive Etenemisviive: Keskimääräinen viive, joka signaalilta kestää edetä portin tulosta lähtöön silloin kun portin lähdön tila muuttuu Kokonaisviive on etenemisviiveiden summa, saadaan summaamalla peräkkäisten porttien ja johdotuksen aiheuttamat etenemisviiveet t p t phl 2 t plh Esimerkki: (SN7400, TTL), kuormitus: R L 400, CL 15pF Normaali t PLH 11ns t PHL 7 ns Worst-case t PLH 22 ns t PHL 15ns

15 Tehonkulutus Tarkoitetaan logiikkaportin sisäistä tehonkulutusta, ei tehoa jonka portti syöttää ulos tai joka porttiin syötetään Jaettavissa: Staattinen tehonkulutus Dynaaminen tehonkulutus Portin keskimääräinen staattinen virrankulutus I CC avg I CCH I 2 CCL Riippuu voimakkaasti piirin piitoteutustekniikasta TTL: tehonkulutus pääosin staattista CMOS: tehonkulutus pääosin dynaamista (~f) Piirin suorituskyvyn mitta: tehonkulutus-nopeus-tulo Keskimääräinen tehonkulutus P D I V avg CCavg CC Tehonkulutus-nopeus-tulo SPP t p PD

16 Dynaaminen tehonkulutus: CMOS Kulutettu energia/portti/tilanmutos: Vdd E 0.5* CV 2 DD Piirin tehonkulutus: Missä: P 0.5* fncv 2 DD f = tilanmuutokset/s Vin: tila muuttuu L- >H->L n = tilaa muuttavien porttien lkm C = kapasitanssi V dd = käyttöjännite Vout: tila muuttuu H- >L->H C: ladataan ja puretaan

17 Dynaaminen tehonkulutus Mitä tarkoittaa nykyisissä prosessoreissa? Prosessorin (esim. Pentium 4, Ultra Sparc III, Itanium 2) tehonkulutus on luokkaa W käyttöjännitteellä V dd = 1.2 V: Prosessorin virrankulutus (I = P/U) ~ 100 A Miten tämä teho poistetaan pinta-alalta: ~ 2-4 cm 2? Muita huonoja uutisia: a) käyttöjännitettä ei voida merkittävästi alentaa b) kellotaajuuksia pyritään nostamaan

18 Fan-out Fan-out: Maksimi standardikuormien lukumäärä, joka voidaan kytkeä logiikkaportin lähtöön vaarantamatta kytkennän toimintaa fanout I min I OH, IH I I OL IL Käytännössä oleellinen suure vain TTL-tekniikalla toteutettavissa kytkennöissä Myös muut kuormat huomioitava CMOS-tekniikassa kuorman lisääntyminen == kapasitanssin lisääntyminen -> portin toiminta hidastuu

19 Yhteenveto piiritekniikoiden ominaisuuksista CMOS + Suuri kohinamarginaali + Pieni staattinen tehonkulutus + Tulot eivät kuormita lähtöjä -> Fan-out suuri + Pieni transistorin koko -> suuri integrointitiheys - Tehonkulutus verrannollinen kellotaajuuteen - Virransyöttökyky joillain piiriperheillä - Tulo herkkiä ympäristön häiriöille --> suuri tuloimpedanssi TTL + Suuri virransyöttökyky + Käyttämättömiä tuloja ei tarvitse välttämättä sitoa - Tulot kuormittavat lähtöjä (fan-out) - Suurehko staattinen tehonkulutus - Pieni integrointitiheys ECL + Nopea - Suuri virrankulutus - pieni integrointitiheys BiCMOS + Voidaan toteuttaa edellä mainituilla piiritekniikoilla toteutetut logiikkapiiriperheet

20 Integroitujen digitaalipiirien rakenne bibolaaritransistori (BJT) Kaikki ensimmäiset logiikkapiiriperheet toteutettiin BJT-tekniikalla: RTL, DTL, TTL ja osin myös BiCMOS Transistoreissa varauksen kuljettajina toimivat sekä aukot että elektronit, tyypit: NPN, PNP Digitaalielektroniikan piireissä transistoria hyödynnetään kytkimenä (kyllästysmoodi, cut-off-moodi) Tyypillisen npn-piensignaalitransistorin ominaisuudet Toimintatila V BE (V) V CE (V) Virtojen suhde Cut-off < 0.6 Avoin piiri I B = I C = 0 Aktiivi > 0.8 I C = h FE I B Kyllästys I B I CS / h FE BJT-transistorien piirrossymbolit