Sviluppo dell’elettronica: cenni storiciAspetti generali metodologici per la progettazione VLSI

Dr. Davide BadoniUniversità di Roma Tor Vergata

Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e NaturaliDipartimento di Fisica

Marzo 2021

Corso di Microelettronica

Obiettivi

n Una breve storia dell’elettronica

n L’impatto nel tempo dell’utilizzo delle tecnologie integrate

n Panoramica introduttiva delle metodologie di progetto di circuiti integrati con i relativi strumenti software.

La storia per arrivare al VLSI

1958Il primo IC

Texas Instruments 1961Il primo IC planare

Fairchild 2007Power PC

IBM

1947Il transistor con contatto apunta.

Bell Labs

La legge di Moore# of transistors radoppia ogni 18 mesi

Velocità dei µP: > 2x ogni 3 anniDimensioni: 8-10mm in 1972 fino a 90 nm in 2004

VLSI: Very Large Scale Integration

10 mm

5 mm

70 um

Progetto analogico: introduzionen Dipende fortemente dal grado di expertise e conoscenza del

progettista

n Molti tools basati su computer non possono sopperire alle abilità umane

n Nella progettazione VLSI l’utilizzo del simulatore diviene fondamentale per la scelta dei possibili circuiti, cambiando il valore dei parametri e osservandone l’effetto

n Trovare il trade-off tra due performance può essere un processo lungo

Progetto analogico: introduzionen Non esiste una metodologia generale di disegno

analogico.

n Il Design-Flow parte dalla simulazione passa per la generazione del layout ed arriva alla verifica post-layout

n Esistono un gran numero di tools di automazione per progetto analogico in ambito universitario, meno in quello industriale.

Progetto analogico e digitale: una comparazione

Analogico Digitale• Segnali continui in ampiezza. Continui o discreti nel tempo.• Design a livello circuito

• I componenti hanno un continuo di valori.

• CAD tools sono difficili da applicare.

• E’ richiesta precisione per la modellizzazione.

• Performance ottimizzate

• Difficoltà a routare automaticamente.

• Range dinamico e linearità limitati dalla alimentazione.

• Segnali discontinui nel tempo. I segnali binari hanno due stati stabili.• Design a livello sistema.

• I componenti hanno valori fissati.

• CAD tools efficienti.

• Solo modelli di timing

• Programmabili via software.

• Facilità a routare automaticamente.

• Range dinamico illimitato.

Progetto analogico: confronto tra parametri a livello circuito e a livello transistor

NoiseConsumption

Gain

Speed

Area

Linearity

Dynamic

Esempio di parametri a livello circuito

gmgds

fT

VDsat

VNoise

W/L

ID

Esempio di parametri a livello transistors

Progettazione TOP-DOWN confronto tra flusso di progettazione digitale ed analogica

Modellizazione comportamentale e simulazione

Simulazione comportamentale e sintesi

Generation layoutestrazione e simulazione postlayout …

DigitaleAnalogico

Specifiche dei blocchi-base

Schematico

Dimensionamento transistors

layout, estrazione e simulazione post layout …

Assemblaggio

Progetto analogico

Aspetti fisici:

Implementazione del disegno fisico comprende la definizione:

q Componenti passivi e transistors.

q Connessioni di segnali e alimentazioni

q Connessioni esterne

• La Progettazione VLSI è spesso di tipo FULL CUSTOM:

Il progettista deve definire (come dire: ha gradi di libertà nella scelta di):

ü Topologia a livello transistor

ü Polarizzazioni (correnti/tensioni in DC)

ü Dimensioni di ciascun Mosfet: Lunghezza “L” e Larghezza “W” di canale.

Mosfet (Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor)

Source (S)Gate (G)

Drain (D)

n+

p

n+

W

L

Substrato (B)Zone “attive”

Il dispositivo raffigurato è di tipo n: aree attive molto drogate (n+) immerse in un substrato p.

Le aree di source ed il drain sono perfettamente identiche, quindi possono essere scambiate, finché una delle due non verrà collegata al potenziale più basso, nel qual caso diverrà il source.

Le dimensioni del canale sono: la L (lunghezza/distanza tra le aree attive) e la W (larghezza di canale), il parametro L minimo è fondamentale ed è molto importante; è spesso dato come prima specifica di una data tecnologia.

Simboli tipicamente usati per i mosfet di tipo n e di tipo p.

Fonderie e Consorzin La produzione di circuiti integrati viene effettuata dal fabbriche denominate“Fonderie”, che sono dotate di

macchinari di altissima tecnologia e precisione che permettono di realizzare i dispositivi a partire dalle “maschere” litografiche del layout, trattando i vari materiali semiconduttori come silicio, il polisilicio per le aree di gate, i metalli per le interconnessioni ecc. Il “processo” di realizzazione avviene con vari fasi che comprendono deposizioni di materiali (metalli/ossidi ecc.), drogaggio controllato di aree di semiconduttori per mezzo di diverse metodologie (es. bombardamento ionico), deposizioni di materiale (ad esempio tramite evaporazione controllata), tagli ecc.

n Il costo della lavorazione di un singolo wafer di silicio (che comprende un elevatissimo numero di singoli integrati) è normalmente molto elevato (ordine 100/1000 K€ o più ), e dunque è accessibile solitamente solo a grosse aziende commerciali produttrici di manufatti elettronici.

n Per offrire una possibilità di accesso alle Università ed Enti di Ricerca, esistono dei Consorzi Europei (ma anche Americani) che si interfacciano tra varie FONDERIE e molti UTENTI FINALI (Università/Enti ) e attraverso la strategia del Multi-Project, con cadenza circa mensile per ciascuna tecnologia, mettono insieme un numero elevato di progetti di vari clienti finali dividendo i costi e fornendo quindi la possibilità di realizzare prototipi di circuiti integrati a prezzi accessibili.

Una tecnologia che è stata usata (ed ancora usabile) a Tor Vergata per realizzare vari prototipi per strumenti di Fisica è la 0.35u di AMS (AustriaMicroSystems) che ha lo stabilimento principale in Austria.

È una tecnologia stabile ma relativamente vecchia (> 16 anni). 0.35um è la dimensione della lunghezza ‘L’ minima implementabile. Le più recenti tecnologie arrivano a dimensioni di ‘L’ minime dell’ordine dei 10nm (contro 350 nm di AMS 0.35u).

Il consorzio Europeo EUROPRACTICE fornisce l’accesso a costi contenuti alla tecnologia ma anche l’acquisto, a costi accessibili, delle licenze annuali di tutto il software di sviluppo VLSI necessario (es. CADENCE).

Progettazione TOP-DOWN –Flusso tipico di progetto

LVS

§ La prima fase consiste nel disegnare lo schematico e utilizzare gli strumenti di simulazione per la verifica funzionale.

§ In una seconda fase si realizza il Layout ossia la descrizione fisica reale delle strutture dei dispositivi e delle loro connessioni. Si utilizza lo strumento LVS (Layout vs. Schematic) per verificare che il Layout sia coerente con lo schematico. In questa fase inoltre si mettono in evidenza le strutture parassite che sono state create (capacità, resistenze ecc..) e di nuovo con gli strumenti di simulazione si verifica che il circuito rispetti le specifiche volute, in caso contrario occorre reiterare modificando il layout o addirittura lo schematico.

§ Le ultime fasi non riguardano più il progettista ma la produzione .