Giáo trình bài giảng Công nghệ vi điện tử

Nội dung text: Giáo trình bài giảng Công nghệ vi điện tử

1. Công nghệ Vi điện tử Giáo trình bài giảng CÔNG NGHỆ VI ĐIỆN TỬ
2. Chương 1: Tổng quan về mạch tích hợp Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH TÍNH HỢP 1.1 Khái niệm IC (Intergated-Circuit) là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều được chế tạo kết tụ trong hoặc trên một đế (substrate) hay thân hoặc không thể tách rời nhau được. Đế này có thể là một phiến bán dẫn có thể là Si hoặc Ge (hầu hết là Si) hoặc một phiến cách điện. Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron, dày cỡ vài trăm micron được đựng trong một vỏ bằng kim loại hoặc bằng plastic. Những IC như vậy thường là một bộ phận chức năng (function device) tức là một bộ phận có khả năng thể hiện một chức năng điện tử nào đó. Sự kết tụ (integration) các thành phần của mạch điện tử cũng như các bộ phận cấu thành của một hệ thống điện tử vẫn là hướng tìm tòi và theo đuổi từ lâu trong ngành điện tử. Nhu cầu của sự kết tụ phát minh từ sự kết tụ tất nhiên của các mạch và hệ thống điện tử theo chiều hướng từ đơn giản đến phức tạp, từ nhỏ đến lớn, từ tần số thấp (tốc độ chậm) đến tần số cao (tốc độ nhanh). Sự tiến triển này là kết quả tất yếu của nhu cầu ngày càng tăng trong việc xử lý lượng tin tức (information) ngày càng nhiều của xã hội phát triển. Sự tích hợp vào IC thường thực hiện ở giai đoạn bộ phận chức năng. Song khái niệm tích hợp không nhất thiết dừng lại ở giai đoạn này. Người ta vẫn nỗ lực để tích hợp với mật độ cực cao trong IC, nhằm hướng tới việc tích hợp toàn thể hệ thống điện tử trên một IC (chíp) Năm 1947 1950 1961 1966 1971 1980 1985 1990 Phát Linh minh Công nghệ kiện SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI Transi rời -stor Số Transistor trên 1 chip 1000 20000 500000 trong các 1 1 12 >500000 >1000000 1000 20000 sản phẩm 100 thương mại 1
3. Chương 1: Tổng quan về mạch tích hợp Linh Vi xử lý kiện Mạch Vi xử lý chuyên Các sản planar đếm, đa Vi xử lý BJTDi 8 bit, dụng, xử phẩm tiêu , Cổng hợp, 16 và 32 ode ROM, lý ảnh, biểu logic, mạch bit RAM thời gian Flip cộng thực Flop Bảng 1.1 Các mật độ tích hợp . SSI (Small scale integration): Tích hợp qui mô nhỏ . MSI (Medium scale intergration): Tích hợp qui mô trung bình . LSI (Large scale integration): Tích hợp theo qui mô lớn . GSI (Ultra large scale integration): Tích hợp qui mô khổng lồ Tóm lại, công nhệ IC đưa đến những điểm lợi so với kỹ thuật linh kiện rời như sau: . Giá thành sản phẩm hạ. . Kích cỡ nhỏ. . Độ khả tín cao (tất cả các thành phần được chế tạo cùng lúc và không có những điểm hàn, nối). . Tăng chất lượng (do giá thành hạ, các mặt phức tạp hơn có thể được chọn để hệ thống đạt đến những tính năng tốt nhất). . Các linh kiện được phối hợp tốt (matched). Vì tất cả các transistor được chế tạo đồng thời và cùng một qui trình nên các thông số tương ứng của chúng về cơ bản có cùng độ lớn đối với sự biến thiên của nhiệt độ. . Tuổi thọ cao. 1.2 Các loại mạch tích hợp Dựa trên qui trình sản xuất, có thể chia IC ra làm 3 loại: IC màng (film IC): Trên một đế bằng chất cách điện, dùng các lớp màng tạo nên các thành phần khác. Loại này chỉ gồm các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện, và cuộn cảm mà thôi. . Dây nối giữa các bộ phận: Dùng màng kim loại có điện trở súât nhỏ như Au, Al,Cu 2
4. Chương 1: Tổng quan về mạch tích hợp . Điện trở: Dùng màng kim loại hoặc hợp kim có điện trở suất lớn như Ni-Cr; Ni-Cr-Al; Cr-Si; Cr có thể tạo nên điện trở có trị số rất lớn. . Tụ điện: Dùng màng kim loại để đóng vai trò bản cực và dùng màng điện môi SiO; SiO2, Al2O3 ; Ta2O5. Tuy nhiên khó tạo được tụ có điện dung lớn hơn F/cm2.0,02. . Cuộn cảm: dùng một màng kim loại hình xoắn. Tuy nhiên khó tạo H với kích thước hợp lý. Trong sơ đồ IC, người ta tránh  được cuộn cảm lớn quá 5 dùng cuộn cảm để không chiếm thể tích. . Cách điện giữa các bộ phận: Dùng SiO; SiO2; Al2O3. . Có một thời, Transistor màng mỏng được nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng vào IC màng. Nhưng tiếc là transistor màng chưa đạt đến giai đoận thực dụng, nếu không phải là ít có triển vọng thực dụng. IC đơn tính thể (Monolithic IC): Còn gọi là IC bán dẫn (Semiconductor IC) – là IC dùng một đế (Subtrate) bằng chất bán dẫn (thường là Si). Trên (hay trong) đế đó, người ta chế tạo transistor, diode, điện trở, tụ điện. Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở cho các bộ phận đó trên lớp SiO2, dùng màng kim loại để nối các bộ phận với nhau. . Transistor, diode đều là các bộ phận bán dẫn. . Điện trở: được chế tạo bằng cách lợi dụng điện trở của lớp bán dẫn có khuếch tán tạp chất. . Tụ điện: được chế tạo bằng cách lợi dụng điện dung của vùng hiếm tại một nối P-N bị phân cực nghịch. Đôi khi người ta có thể thêm những thành phần khác hơn của các thành phần kể trên để dùng cho các mục đích đặc thù Các thành phần trên được chế tạo thành một số rất nhiều trên cùng một chip. Có rất nhiều mối nối giữa chúng và chúng được cách ly ) nhờ những nối P-N bị phân cực nghịch (điện trở có hàng trăm M). IC lai (hibrid IC). Là loại IC lai giữa hai loại trên Từ vi mạch màng mỏng (chỉ chứa các thành phần thụ động), người ta gắn ngay trên đế của nó những thành phần tích cực (transistor, diode) tại những nơi đã dành sẵn. Các transistor và diode gắn trong mạch lai không cần có vỏ hay để riêng, mà chỉ cần được bảo vệ bằng một lớp men tráng. Ưu điểm của mạch lai là: . Có thể tạo nhiều IC (Digital hay Analog). 3
5. Chương 1: Tổng quan về mạch tích hợp . Có khả năng tạo ra các phần tử thụ động có các giá trị khác nhau với sai số nhỏ. . Có khả năng đặt trên một đế, các phần tử màng mỏng, các transistor, diode và ngay cả các loại IC bán dẫn. Thực ra khi chế tạo, người ta có thể dùng qui trình phối hợp. Các thành phần tác động được chế tạo theo các thành phần kỹ thuật planar, còn các thành phần thụ động thì theo kỹ thuật màng. Nhưng vì quá trình chế tạo các thành phần tác động và thụ động được thực hiện không đồng thời nên các đặc tính và thông số của các thành phần thụ động không phụ thuộc vào các đặc tính và thông số của các thành phần tác động mà chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu, bề dầy và hình dáng. Ngoài ra, vì các transistor của IC loại này nằm trong đế, nên kích thước IC được thu nhỏ nhiều so với IC chứa transistor rời. IC chế tạo bằng qui trình phối hợp của nhiều ưu điểm. Với kỹ thuật màng, trên một diện tích nhỏ có thể tạo ra một điện trở có giá trị lớn, hệ số nhiệt nhỏ. Điều khiển tốc độ ngưng động của màng, có thể tạo ra một màng điện trở với độ chính xác rất cao. 4
6. Chương 2: Đặc tính các linh kiện MOS Chương 2 ĐẶC TÍNH CỦA CÁC LINH KIỆN MOS Transistor MOS là khối kiến trúc cơ bản của các vi mạch số MOS và CMOS. So với Transistor lưỡng cực (BJT), Transistor MOS chiếm diện tích ít hơn trong lõi của IC và các bước chế tạo cũng ít hơn. Các cấu trúc này được hình thành qua một chuỗi các bước xử lý bao gồm oxit hóa Si, tạo cửa sổ, khuếch tán tạp chất vào Si để tạo cho nó các đặc tính dẫn điện và tạo Metal lên Si để cung cấp các mối nối các linh kiện với nhau trên Si. Công nghệ CMOS cung cấp hai loại transistor (hay còn gọi là linh kiện), đó là transistor loại n (nMOS) và transistor loại p (pMOS). Các loại này được chế tạo trong Si bằng cách Si khuếch tán âm (hay Si được pha âm) giàu điện tử (điện cực âm) hay Si khuếch tán dương giàu lỗ trống (điện cực dương). Sau các bước xử lý, một cấu trúc MOS tiêu biểu bao gồm các lớp phân biệt gọi là khuếch tán (Si được pha), polysilic (Si đa tinh thể được dùng làm nối trong) và Al, các lớp này được tách biệt bằng các lớp cách điện. Cấu trúc vật lý điển hình của transistor MOS hình 2.1. Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của một transistor MOS 5
7. Chương 2: Đặc tính các linh kiện MOS 2.1 Transistor tăng cường n-MOS Ký hiệu: D D G G S S Hình 2.2: Ký hiệu transistor nMOS Cấu trúc: Hình 2.3: Cấu trúc phân lớp transistor nMOS Cấu trúc gồm nền (Substrate) Silic loại p, hai vùng khuếch tán loại (n+) gọi là nguồn (Source) và máng (Drain). Giữa nguồn và máng là một vùng hẹp nền p gọi là kênh, được phủ một lớp cách điện (SiO2) gọi là cổng oxide. Khảo sát 3 kiểu làm việc của một tụ MOS: VGS V > V - V G DS GS T D S n+ - + n+ VGS - VT Hình 2.4: Sụ tạo kênh truyền 6
8. Chương 2: Đặc tính các linh kiện MOS + Kiểu tích lũy: khi thế cổng nhỏ hơn thế ngưỡng của tụ MOS. Gọi VGS là thế cấp cho cực cổng, VT là thế ngưỡng của tụ MOS. Vì VGS VT, điện trường tạo ra có chiều hướng từ cổng đến móng và đẩy lỗ trống vào sâu trong móng và đủ lớn để hút điện tử thiểu số về phía bề mặt do đó bề mặt bị đảo, chuyển từ loại p sang loại n. 2.2 Transistor tăng cường p-MOS Ký hiệu: D D G G S S Hình 2.5 Ký hiệu transistor pMOS Cấu trúc: Hình 2.6 Cấu trúc phân lớp transistor pMOS Cấu trúc gồm nền (Substrate) Silic loại n, hai vùng khuếch tán loại (p+) gọi là nguồn (Source) và máng (Drain). Giữa nguồn và máng là một vùng hẹp nền n gọi là kênh, được phủ một lớp cách điện (SiO2) gọi là cổng oxit. 7
9. Chương 2: Đặc tính các linh kiện MOS 2.3 Thế ngưỡng Phân tích nMOS Với hằng số truyền dẫn là: ' n ox kn nCox tox 8
10. Chương 2: Đặc tính các linh kiện MOS Đặc tuyến của nMOS: -4 x 10 6 VGS= 2.5 V 5 Resistive Saturation 4 VGS= 2.0 V 3 V = V - V ID (A) DS GS T Quadratic Relationship 2 VGS= 1.5 V 1 VGS= 1.0 V 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 V (V) D S -4 x 10 2.5 VGS= 2.5 Early Saturation V 2 VGS= 2.0 1.5 V ID (A) Linear VGS= 1.5 Relationship 1 V 0.5 VGS= 1.0 V 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 V (V) DS Hình 2.7 Đặc tuyến của nMOS Bài tập2.1: Vẽ Đặc tuyến của pMOS 9
11. Chương 3:Công nghệ xử lý CMOS Chương 3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CMOS 3.1 Quy trình tạo Wafer Silic là chất bán dẫn trong trạng thái tinh khiết hay bán dẫn thuần, là chất có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Độ dẫn điện của bán dẫn có thể thay đổi bằng cách pha tạp chất vào Silic từ đó hình thành hai loại chất bán dẫn mới là n và p, tùy thuộc vào nồng độ pha mà ta có n+ và p+. Từ một lò nấu nỏng chảy Silic đa tinh thể kéo ra được thỏi Silic đơn tinh thể bằng cách dùng thạc anh làm mồi và kéo lên, phương pháp này gọi là phương pháo Czochralski. Ngày nay phương pháp phổ biến là sản xuất thẳng vật liệu đơn tinh thể bằng cách cho lượng tạp chất bổ sung vào Silic nóng chảy để cho đơn tinh thể với các chất dẫn điện theo yêu cầu. Hình 3.1 Phương pháp Czochralski 10
12. Chương 3:Công nghệ xử lý CMOS Hình 3.2 Thỏi Silic được kéo ra Từ một thỏi Silic hình trục, cưa ngang ta được các miếng wafer. Hình 3.3 Các tạo một wafer 11
13. Chương 3:Công nghệ xử lý CMOS Có nhiều độ rộng wafer khác nhau và càng ngày kích thước càng được tăng rộng: ~ 300mm 12 inches 8 inches 6 inches 4 inches 3 inches diameter Single die Wafer Hình 3.4 Hình dạng và kích thước wafer 3.2 Phương pháp khuếch tán và bắn electron Để tạo nên các linh kiện khác nhau thì cần phải có các bán dẫn khác nhau như n, p, n+ và p+. Để tạo được các chất bán dẫn khác nhau cần phải pha tạp chất với những tỷ lệ khác nhau, muốn làm được điều này cần phải sử dụng Epitaxy, lắng đọng hay nuôi cấy và khuếch tán. Epitaxy bao hàm việc nuôi một màng đơn tinh thể lên bề mặt của Silic (đã là đơn tinh thể rồi) bằng đưa bề mặt wafer chịu nhiệt độ nâng cao và nguồn của chất pha vào. Lắng đọng phải bao hàm quá trình bốc hơi vật liệu kích thích vào vật liệu Silic theo sau bằng một 12
14. Chương 3:Công nghệ xử lý CMOS chu trình nhiệt, nó dùng để dồn tạp chất từ bề mặt silic vào thể tích chung. Nuôi cấy ion bao gồm việc đưa nền silic tới các nguyên tử cho và nhận năng lượng độ cao. Khi các nguyên tử va chạm lên bề mặt silic tạo nên vùng với nồng độ kích thích thay đổi. Tại nhiệt độ được nâng lên bất kỳ (> 8000C) sự khuếch tán sẽ xuất hiện giữa Silic bất kỳ có mật độ tạp chất khác nhau, với tạp chất có khuynh hướng khuếch tán từ vùng có mật độ cao tới vùng có mật độ thấp. Loại tạp chất được đưa vào được điều khiển bằng nguồn kích thích. Nguyên tử Bo thường được sử dụng để tạo nên silic nhận trong khi đó asen và phốt-pho được sử dụng phổ biến để tạo nên silic cho. Bao nhiêu được xác định bằng thời gian, năng lượng và nhiệt độ của bước lắng đọng và khuếch tán. Các vật liệu phổ biến được sử dụng làm mặt nạ bao gồm: . Quang trở. . Polysilic. . SiO2. . SiN. Phương pháp phổ biến ngày nay là dùng 1 súng electron, sẽ bắn trực tiếp electron vào wafer để tạo ra các vùng bán dẫn khác nhau. 13
15. Chương 3:Công nghệ xử lý CMOS 3.3 Quy trình tạo linh kiện và đấu dây 14
16. Chương 4: Mạch CMOS – Thiế kế và Layout Chương 4 MẠCH CMOS – THIẾT KẾ VÀ LAYOUT 4.1 Thiết kế vật lí cơ bản các cổng logic đơn giản 4.1.1. Cổng NOT: IN pMOS nMOS OUT 0 1 4.1.2. Cổng NOR: 15
17. Chương 4: Mạch CMOS – Thiế kế và Layout A B pMOS1 pMOS2 nMOS1 nMOS2 OUT 0 0 0 1 1 0 1 1 4.1.3. Cổng NAND: A B pMOS1 pMOS2 nMOS1 nMOS2 OUT 0 0 0 1 1 0 1 1 Bài tập 4.1: Thiết kế cổng OR và AND 2 đầu vào 16
18. Chương 4: Mạch CMOS – Thiế kế và Layout 4.1.4. Cổng XOR: A B P1 P2 P3 P4 P5 N1 N2 N3 N4 N5 OUT 0 0 0 1 1 0 1 1 Bài tập 4.2: a. Thiết kế NOR 3 ngõ vào b. Thiết kế NAND 3 ngõ vào c. Thiết kế cổng : OUT = (A + B).C d. Thiết kế cổng : OUT =A.B + C e. Thiết kế FF-D 17
19. Chương 4: Mạch CMOS – Thiế kế và Layout 4.2 Layout cổng logic 4.2.1. Cổng NOT: Metal Gate: Silicon Gate: 18
20. Chương 4: Mạch CMOS – Thiế kế và Layout 4.2.2. Cổng NOR: Metal Gate: 4.2.3. Cổng NAND: Metal Gate: 19
21. Chương 4: Mạch CMOS – Thiế kế và Layout Silicon Gate: Bài tập 4.3: Vẽ schematic các layout sau: a. 20
22. Chương 4: Mạch CMOS – Thiế kế và Layout b. Bài tập 4.4: Vẽ layout các cổng sau a. OR 2 ngõ vào b. AND 2 ngõ vào c. NOR 3 ngõ vào d. NAND 3 ngõ vào e. OUT = (A + B).C f. OUT =A.B + C g. FF-D 21
23. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp Chương 5 CÔNG NGHỆ MẠCH TÍCH HỢP 5.1. Các bước thiết kế IC Ý tưởng Thiết kế kiến trúc Thiết kế Logic Thiết kế vật lý Sản xuất Chip mới Hình 5.1 Các bước thiết kế tạo IC 22
24. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp 5.2. Các bước chế tạo IC 23
25. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp 5.3. Quy tắc layout vi mạch 24
26. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp 25
27. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp 26
28. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp 27
29. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp 28
30. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp 5.4. Công nghệ IC: 5.4.1. Old Technologies: 1 Bipolar Diode Transistor Logic 2 Bipolar Diode Transistor Zener Logic 3 Bipolar Planar Transistor Transistor Logic 4 Basic steps in Planar Technology: 4.1 Buried Layer 4.2 Isolation 4.3 Collector 4.4 Base 4.5 Emitter 4.6 Contact 4.7 Oversized Contact – when needed 4.8 Metal 4.9 Passivation (Vapox) 5 Metal Gate CMOS – Diffusion Technique (N- or P-Channel MOS are discrete) 5.1 P-Well 5.2 P+ Active Area 5.3 N+ Active Area 5.4 Gate 5.5 Contact 5.6 Oversized Contact – when needed 5.7 Metal 5.8 Passivation (Vapox) 5.4.2. Recent or Current Technologies: 1 Bipolar Planar Technology 2 Metal Gate CMOS – with Implantation Technique 3 Silicon Gate CMOS – with Implantation Technique 29
31. Chương 5:Công nghệ mạch tích hợp 3.1 N-Well 3.2 Active Area 3.3 Field Doping 3.4 Capacitor Implant 3.5 Gate Oxide 3.6 High Resistivity Poly Masking 3.7 P+ Implant (with P- Implant, optional) 3.8 N+ Implant (with N- Implant, optional) 3.9 Contact 3.10 Metal 1 3.11 Via (optional) 3.12 Metal 2 (optional) 3.13 Passivation (Vapox) Usually 15 masks (up to 18 masks) Cấu trúc BiCMOS Emitter Base Collector Drain Gate Source Body Normal SiO 2 Aluminum p p p p n+ n+ p Thin n+ p gate oxide n n+ p Epitaxal layer Buried layer Substrate npn bipolar transistor p-channel MOSFET 30
32. Chương 6: Bộ nhớ Chương 6 BỘ NHỚ Các ma trận bán dẫn có thể lưu trữ lượng lớn thông tin sồ cần thiết đối với các hệ thông số. Lượng bộ nhớ được đòi hỏi trong một hệ thống riêng phụ thuộc vào loại ứng dụng, nhưng nói chung dố các transistor được sử dụng đối với chức năng lưu trữ thông tin (số liệu) lớn hơn nhiều so với các transistor được sử dụng trong các phep tính logic và cho các mục đích khác. Yêu cầu luôn luôn tăng đối với dung lượng lưu trữ số liệu lớn hơn kéo theo công nghệ sản xuất và và phát triển bộ nhớ về hướng thiết kế compact và do đó về hướng mật độ lưu trữ số liệu cao hơn. Do vậy, dung lượng nhớ số liệu có thể thực hiện được cực đại của môt chip ma trận nhớ bán dẫn cứ hai năm tăng gấp đôi. Những hệ thống nhỏ các mạch VLSI trên một ma trận nhớ và dung lượng nhớ đọc viết có được ở dạng thương phẩm đạt tới 64 Megabit. Xu hướng mật độ nhớ cao hơn và dung lượng lưu trữ lớn hơn sẽ tiếp tục đẩy tới đỉnh cao của thiết kế hệ thống số. Hiệu suất điện tích của một ma trận nhớ tức số các bit số liệu được lưu trữ trên một diện tích đơn vị là một trong các tiêu chuẩn thiết kế chính xác định dung lượng lưu trữ toàn bộ, do đó xác định giá thành bộ nhớ trên bit. Một vấn đề quan trọng khác là thời gian tiếp nhận bộ nhớ tức thời gian cần thiết để lưu trữ và /hoặc gọi một bit số liệu riêng trong ma trận nhớ. Thời gian tiếp nhận xác định vận tốc nhớ là thiêu chuẩn đặc trưng quan trọng của ma trận nhớ. Cuối cùng, công suất tiêu thụ động và tĩnh của ma trận nhớ là hệ số có nghĩa phải được xem xét trong thiết kế vì tầm quan trong của áp dụng công suất thấp. Cúng ta sẽ khảo sát các loại ma trận nhớ MOS khác nhau và thảo luận chi tiết các vấn đề diện tích, tốc độ và công suất tiêu thụ đối với mỗi loại mạch. Tổ chức của một ma trận nhớ điển hình được chỉ ra trên hình 6.1. Cấu trúc lưu trữ số liệu bao gồm các tế bào nhớ riêng trong ma trận các hàng nằm ngang và các cột thẳng đứng. Mỗi tế bào có khả năng lưu trữ một bit của thông tin nhị phân. Cũng như vậy mỗi tế bào nhớ chia thành nối chung với các tế bào khác trong cùng một hàng và nối chung với các tế bào khác trong cùng một cột. Trong cấu trúc này có 2N hàng, cũng được gọi là các đường từ và 2M cột cũng được gọi là các đường bit. Do đó số tế bào của bộ nhớ tổng cộng của ma trận này là 2Mx2N nhớ riêng biệt , tức một bit số liệu riêng trong ma trận này, đường bit tương ứng và đường từ tương ứng phải được họa động (được chọn). Hoạt động chọn cột và hàng này được thực hiện bằng các bộ giải mã tương ứng. Mạch giải mà hàng chọn ra một đường từ 2N theo địa chỉ N hàng bit, trong khi đó mạch giải mã hàng cột chọn ra một đường trong 2M bit theo địa chỉ cột M bit. Khi một tế bào nhớ hay nhóm các tế bào nhớ được chọn theo kiểu này, thì 31
33. Chương 6: Bộ nhớ hoạt động viết số liệu hoặc đọc số liệu thực hiện được trên một bit đơn vị được lựa chọn hoặc nhiều bit trên một hàng. Mạch giải mã cột đáp ứng hai nhiệm vụ đồng thời chọn các cột riêng và gửi nội dung số liệu tương ứng trong hàng được chọn tới lối ra. Chúng ta có thể tự thảo luận đơn giản này rằng các tế bào nhớ riêng có thể được truy cập cho hoạt đông đọc số liệu và/hoặc viết số liệu theo thứ tự ngẫu nhiên độc lập với các vị trí vật lý của chúng trong ma trận nhớ. Do đó tổ chức ma trận được khảo sát ở đây được gọi là một cấu trúc nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM). Chú ý rằng tổ chức này có thể sử dụng cho cả ma trận đọc-viết và ma trận chỉ có đọc. Mặc dù vậy trong các phần sau ta sử dụng chữ viết tắt các chữ đầu RAM vì nó là chữ viết tắt được chấp nhận phổ biến đối với kiểu ma trận nhớ riêng này. Amplify swing to rail-to-rail amplitude Selects appropriate word Hình 6.1 Cấu trúc tổng quát của bộ nhớ 6.1. Các mạch nhớ chỉ đọc (ROM) Ma trận nhớ chỉ đọc cũng có thể xem như một mạch logic kết hợp đơn giản tạo nên một giá trị lối ra xác định đối với mỗi tổ hợp vào, tức đối với một địa chỉ. Do dó việc lưu trữ thông thông tin nhị phân tại một vị trí địa chỉ riêng 32
34. Chương 6: Bộ nhớ có thể đạt được bằng sự có mặt hoặc không có mặt của một đường số liệu từ hàng được chọn (đường từ) tới cột được chọn (đường bit), là tương đương với sự có mặt hoặc không có mặt của một dụng cụ tại vị trí riêng đó. Dưới đây ta sẽ khảo sát hai thi hành khác nhau đối với các ma trận MOS ROM. Ta khảo sát ma trận nhớ 4x4 được chỉ ra trên hình 6.2. Ở đây mỗi cột bao gồm một cổng NOR nMOS được điều khiển bằng một số tín hiệu hàng tức các đường từ. Như đã mô tả ở phần trước chỉ có đường từ được hoạt động (được chọn) tại thời điểm tăng thế của nó lên VDD , trong khi tất cả các hàng khác giữ tại mức thế thấp. Nếu một transistor hoạt động tồn tại tại giao điểm của cột và hàng được chọn, thì thế cột bị kéo xuống mức logic thấp bằng mức transistor đó. Nếu transistor không hoạt tồn tại tại giao điểm thì thế cột được kéo lên cao bằng dụng cụ tải pMOS. Do đó bit logic “1” được lưu trữ khi không có transistor hoạt, trong khi đó bit logic “0” được lưu trữ khi có mặt của một transistor hoạt tại điểm cắt. Để giảm công suất tiêu thụ tĩnh, transistor tải trong ma trận ROM được chỉ trên hình 6.2 cũng có thể được điều khiển bằng tín hiệu nạp trước tuần hoàn dẫn đến ROM động. Tiếp theo chúng ta sẽ thực hiện thiết kế một ma trận ROM khác một cách có ý nghĩa được gọi là NAND ROM (hình 6.3). Ở đây mỗi đường bit bao gồm một cổng NAND được điều khiển bằng một số tín hiệu hàng,tức đường từ. Bình thường, tất cả các đường từ được giữ lại tại mức thế logic cao, trừ đường được chọn được kéo xuống mức thế thấp nhất. Nếu một transistor tồn tại tại giao điểm của cột và hàng được chọn, transistor bị ngắt và thế cột bị kéo lên cao bằng dụng cụ tải. Mặt khác nếu không có transistor tồn tại (ngắn mạch) tại giao điểm riêng, thế cột bị kéo xuống thấp bằng các transistor nMOS khác trong cấu trúc NAND nhiều lối vào. Do đó bit logic “1” được lưu trữ bằng sự có mặt của một transistor có thể không hoạt động, trong khi bit logic “0” được lưu trữ bằng ngắn mạch hay bình thường trên transistor tại giao điểm. 33
35. Chương 6: Bộ nhớ Hình 6.2 Ma trận 4x4 NOR ROM Hình 6.3 Ma trận 4x4 NAND ROM Thiết kế các bộ giải mã hàng và cột Một bộ giải mã hàng được thiết kế để điều khiển một ma trận ROM NOR N để chọn một trong 2 đường từ bằng tăng thế của nó tới VOH. Bộ giải mã ROM NAND phải là mức thiết kế thấp của logic hàng được chọn ”0”, trong khi tất cả các hàng khác phải mức logic cao. Chúc năng này có 34
36. Chương 6: Bộ nhớ thể thực hiện bằng cách sử dụng một cổng NAND có N lối vào cho mỗi lối ra hàng. 6.3. Các mạch nhớ đọc – viết tĩnh (SRAM) Mạch nhớ được gọi là tĩnh, nếu số liệu được lưu trữ có thể giữ lại vô hạn (kéo dài cho đến khi thế nguồn nuôi được cung cấp), mà không cần tác động nạp lại tuần hoàn. W L V DD M 2 M 4 Q Q M M 5 6 M 1 M 3 B B L L Hình 6.4 Cấu trúc một cell của SRAM Cấu trúc tổng quát của tế bào RAM tĩnh MOS, bao gồm hai bộ đảo được nối chéo nhau và hai transistor truy cập. Dụng cụ tải có thể là các điện trở polysilicon, transistor nMOS loại nghèo, hoặc transistor pMOS, phụ thuộc vào loại tế bào nhớ. Cổng truyền qua hoạt động như các chuyển mạch truy cập số liệu là các transistor nMOS loại khuếch tán. Tế bào lưu trữ số liệu, tức tế bào nhớ một bit trong ma trận RAM tĩnh, bao gồm các mạch chốt đơn giản không thay đổi với hai điểm (trạng thái) làm việc ổn định. Phụ thuộc vào trạng thái lưu giữ của hai mạch chốt đảo, số liệu cần phải lưu giữ trong tế bào nhớ sẽ được phiên dịch hoặc là logic ”0” hoặc là logic 35
37. Chương 6: Bộ nhớ ”1”. Để truy cập (đọc và viết) số liệu chứa trong tế bào nhớ qua đường bit, chúng ta cần ít nhất một chuyển mạch, được điều khiển bằng đường từ tương ứng, tức tín hiệu chọn địa chỉ hàng. Thường hai chuyển mạch truy cập ngược nhau bao gồm các transistor truyền qua nMOS được thực hiện để nối tế bào SRAM một bit tới ngược nhau (cột). Điều này có thể so sánh với việc chuyển hướng sang trái phải điều khiển hướng bit đi. V DD BL M 4 BL Q = 0 Q = M 6 M 5 1 V V V DD M 1 DD DD C bi C bi t t Hình 6.5 SRAM (read) Các công thức tính toán giá trị: 36
38. Chương 6: Bộ nhớ WL V DD M 4 Q = 0 M 6 M 5 Q = 1 M 1 V DD BL = BL = 0 1 Hình 6.6 SRAM (write) 6.4. Các mạch nhớ đọc viết động (DRAM) Trong tế bào RAM động, số liệu nhị phân được lưu trữ đơn giản như nạp vào tụ, ở đây sự có mặt hay không có mặt điện tích được lưu trữ như điện tích trong tụ không thể nhớ được vô hạn vì dòng rò lấy đi ngay hay thay đổi điện tích được lưu trữ. Do đó, tất cả các tế bào nhớ động cần nạp lại thường xuyên số liệu được lưu trữ sao cho những thay đổi không mong muốn do dòng rò được ngăn chặn trước khi chúng xuất hiện. Sử dụng tụ như dụng cụ lưu trữ chính nói chung làm cho tế bào DRAM được thực hiện trên một diện tích silic nhỏ hơn nhiều so với tế bào SRAM điển hình. Số liệu nhị phân được lưu trữ như điện tích trong tụ và do đó cần phải có dụng cụ truy cập, hay chuyển mạch có thể được kích hoạt ngoài dành cho thao tác ”đọc” và ”viết”. Do tế bào nhớ rất đơn giản, không cần tiêu tốn công suất tĩnh để lưu trữ điện tích trên tụ. Vì vậy ma trận nhớ DRAM có thể đạt được mật độ tích hợp cao hơn so với ma trận nhớ SRAM. 37
39. Chương 6: Bộ nhớ B 1 B 2 L L WW L RW WWL L RWL M 3 M 1 X X V DD 2 V T M 2 V DD C S BL 1 DV BL 2 V DD 2 V T Hình 6.7 DRAM Cell với 3 transistor Hình 6.7 DRAM Cell với 1 transistor 38
40. Chương 7:Cấu trúc linh kiện FPGA và các công nghệ lập trình Chương 7 CẤU TRÚC LINH KIỆN FPGA VÀ CÁC CÔNG NGHỆ LẬP TRÌNH 7.1. Tổng quát FPGA FPGA là một thiết bị cấu trúc logic có thể được người sử dụng lập trình trực tiếp mà không cần phải sử dụng bất kì một công cụ chế tạo mạch tích hợp nào. Các thiết bị lập trình đóng vai trò quan trọng lâu dài trong thiết kế các phần cứng số. chúng là các chíp đa dụng có thể được cấu hình theo nhiều cách cho nhiều ứng dụng. Loại đầu tiên của thiết bị có thể lập trình được sử dụng rộng rãi là Programmale read-Only Memory (PROM). PROM là thiết bị lập trình chỉ được một lần gồm một dãy các ô nhớ chỉ đọc. PROM có thể thực hiện bất kì hàm logic theo bảng thật sự nào bằng cách sử dụng các đường địa chỉ như các ngõ nhập và ngõ xuất được xác định bởi các nội dung bit nhớ. Có hai loại PROM cơ bản, một loại chỉ có thể được lập trình bởi nhà sản xuất và một loại có thể lập trình bởi người dùng. Loại thứ nhất được gọi là mask-programmalbe và loại thứ hai được gọi là field-programmable. Khi sản xuất các chip logic, hiệu suất tốc độ cao có thể đạt được với các chip mask- programmale vì các kết nối bên trong thiết bị được thực hiện bằng phần cứng khi sản suất. Ngược lại, các kết nối của field-programmable luôn cần đến một số loại chuyển mạch lập trình được (cầu chì chẳng hạn) và vì vậy chậm hơn kết nối cứng. tuy nhiên, thiết bị field-programmable chứa đựng các ưu điểm có giá trị hơn sự hạn chế về tốc độ: - Các chip field-programmable rẻ hơn các chip mask-programmable khi sản xuất với số lượng nhỏ. - Các chip programmable có thể lập trình tức thì trong vài phút, trong khi các chip mask-programmable khi sản xuất phải mất hàng tuần hoặc vài tháng Hai biến thể field-programmable của PROM là Erasable Programmale Read-Only Memory (EPROM) và Electrical Erasable Programmele Read-Only Memory (EePROM) cung cấp một ưu điểm là cả hai có thể xáo và lập trình lại nhiều lần. Một loại thiết bị lập trình được khác được thiết kế đặc biệt để thực hiện các mạch logic là Programmale Logic Device (PLD). Một PLD thông thường gồm một dãy các cổng AND được nối với một dãy các cổng OR. Mạch logic có 39
41. Chương 7:Cấu trúc linh kiện FPGA và các công nghệ lập trình thể được thực hiện trong PLD theo dạng tổng các tích (sum of products). Loại cơ bản nhất của PLD là Progammable Array Logic (PAL). PAL gồm các các cổng AND lập trình được nối đến cổng OR cố định. Một loại PAL khác linh động hơn là Programmable Logic Array (PLA). PLA cũng có cấu trúc giống PAL nhưng các kết nối lập trình được, PLA có 2 loại mask-programmable và field-programmable. Cả 2 loại PLD trên cho phép thực hiện các mạch logic có tốc độ cao, tuy nhiên cấu trúc đon giản của chúng chỉ cho phép thực hiện các mạch logic nhỏ. Loại thiết bị lập trình tổng quát nhất gồm một dãy các phần tử rời rạc có thể được kết nối với nhau theo mô tả của người sử dụng. Loại thiết bị này được gọi là Mask-Programmable Gate Array (MPGA). Các MPGA phổ biến nhất gồm các hàng transistor có thể được kết nối để thực hiện các mạch logic. Các kết nối do người dùng định nghĩa này có thể có trong cả các hàng và cột. Ưu điểm chính của MPGA so với PLD là nó cung cấp nột cấu trúc tổng quát cho phép thực hiện các mạch logic lớn hơn.Vì cấu trúc kết nối của chúng có thể được mở rộng cùng với số lượng logic. Field-Programmable Gate Array (FPGA) đã kết hợp khả năng lập trình của PLD và cấu trúc kết nối có thể mở rộng của MPGA. Do đó các thiết bị lập trình loại này có mật độ logic cao hơn. 7.2. Cấu trúc tổng quát FPGA Các loại FPGA của nhiều công ty khác nhau có đặc tính riêng, tuy nhiên chúng có thể được chia làm 4 loại chính: cấu trúc mảng đối xứng (symetrical array), cấu trúc hàng (row-based), cấu trúc PLD phân cấp (hierarchical PLD) và cấu trúc đa cổng (sea-of-gates) t PI A LAB1 LAB2 PIA t PI A LAB6 40
42. Chương 7:Cấu trúc linh kiện FPGA và các công nghệ lập trình I/O Buffers Program/Test/Diagnostics Vertical routes s s r r e e f f f f u u B B O O / / I I Rows of logic modules Routing channels I/O Buffers Hình 7.1 Cấu trúc tổng quá FPGA FPGA gồm một dãy các phần tử rời rạc có thể được kết nối với nhau theo một cách chung. Giống như PLD, các kết nối giữa cá phần tử là có thể lập trình được. FPGA được giới thiệu đầu tiên bởi công ty Xilinx ra đời năm 1985. Kể từ đó có nhiều loại FPGA đã được nhiều công ty phát triển: Actel, Altera, Plessey, Plus Logic, Advanced Micro Devices (AMD), Quich Logic, Concurrent Logic, Crosspoint Solutions FPGA gồm một dãy hai chiều logic block có thể được kết nối bằng các nguồn kết nối chung. Các nguồn kết nối gồm các đoạn dây nối (segment) có thể có chiều dài khác nhau. Bên trong các kết nối là các chuyển mạch lập trình được dùng để nối các logic book với các đoạn dây với nhau. Mạch logic được cài đặt trong FPGA bằng cách ánh xạ logic vào các block logic riêng rẽ và sau đó nối các logic book cần thiết qua các chuyển mạch. a. Các logic book: Cấu trúc và nội dung logic block được gọi là kiến trúc của nó. Kiến trúc của logic block có thể được thiết kế theo nhiều cách khác nhau. Một số logic block có thể chỉ đơn giản là các cổng AND hai ngõ nhập. Các logic block khác có cấu trúc phức tạp hơn như các multiplexer hay các bảng tìm kiếm (look-up- table). Trong một số loại FPGA, các logic block có thể có cấu trúc hoàn toàn giống PAL. Hầu hết các logic block chứa một số loại flip-flop hỗ trợ cho việc thực hiện các mạch tuần tự. 41
43. Chương 7:Cấu trúc linh kiện FPGA và các công nghệ lập trình b. Các nguần kết nối: Cấu trúc và nội dung các nguồn kết nối trong FPGA được gọi là kiến trúc rounting (rounting architecture). Kiến trúc rounting gồm các đoạn dây nối và các chuyển mạch lập trình được. Các chuyển mạch lập trình được có thể có nhiều cấu tạo khác nhau như: pass-transitor được điều khiển bởi cell RAM, các cầu chì nghịch (anti-fuse), EPROM transistor và EEPROM transistor. Giống như logic block, một số khác cung cấp ít kết nối hơn nên rounting phức tạp hơn. 7.3. Các công nghệ lập trình chip Trong phần này chúng ta tìm hiểu cách thực hiện các thiết bị field- programmable. Chúng ta sẽ sử dụng thuật ngữ “chuyển mạch” để chỉ các phần tử lập trình được giữa các đoạn dây nối. Có nhiều cách thực hiện các phần tử lập trình, các công nghệ lập trình hiện đang sử dụng là RAM tĩnh, cầu chì nghịch (anti-fuse). EPROM transistor và EEPROM transistor. Mặc dù các công nghệ lập trình này khác nhau, tất cả các phần tử lập trình đều có chung tính chất là có thể cấu hình ở một trong hai trạng thái: ON và OFF. Các phần tử lập trình có các tính chất sau: . Chiếm càng ít diện tích của chip càng tốt. . Có kháng trở thấp khi ở trạng thái ON và kháng trở rất cao ở trạng thái OFF. . Có điện dung ký sinh thấp khi kết nối các đoạn dây. . Có thể tạo một cách tin cậy số lượng lớn phần tử lập trình trên 1 chip. Tùy thuộc vào ứng dụng FPGA, các phần tử lập trình có thể có các đặc tính khác. Ví dụ các phần tử lập trình không bay hơi hay có thể lập trình lại được. Về mặt chế tạo, các phần tử lập trình nếu có thể tạo theo công nghệ CMOS thì rất tốt. Các công nghệ lập trình chip: Công nghệ Tính bay Có thể lập Diện tích R (ohm) C (pF) lập trình hơi trình chip Static Có Trong Lớn 1-2 K 10-20 RAM cell mạch PLICE Không Không Anti-fuse 300-500 3-5 Anti-fuse nhỏ Pro.trans lớn 42
44. Chương 7:Cấu trúc linh kiện FPGA và các công nghệ lập trình ViaLink Không Không Anti-fuse 50-80 1-3 Anti-fuse nhỏ Pro.trans lớn EPROM Không Ngoài Nhỏ 2-4 K 10-20 mạch EEPROM Không Trong 2xEPROM 10-20 10-20 mạch Bảng 7.1 các đặc tính của công nghệ lập trình 7.4. Các loại FPGA trên thị trường Công ty Kiến trúc tổng Kiểu khối logic Công nghệ lập quát trình Xilinx Symetrical Array Lookup Table Static RAM Actel Row-based Multiplexer-based Anti-fuse Altera Hierarchical-PLD PLD Block EPROM Plessey Sea-of-gates NAND-gate Static RAM Plus Hierarchical-PLD PLD Block EPROM AMD Hierarchical-PLD PLD Block EEPROM QuickLogic Symetrical Array Multiplexer-based Anti-fuse Algotronix Sea-of-gates Multiplexer & Static RAM Based Gate Concurrent Sea-of-gates Multiplexer & Static RAM Based Gate Crosspoint Row-based Transistor Pair & Anti-fuse Multiplexer Bảng 7.2 Các loại FPGA trên thị trường 43
45. Chương 7:Cấu trúc linh kiện FPGA và các công nghệ lập trình 7.5. Phương pháp lập trình Design Behavioral Capture HDL Pre-Layout Simulation Structural Logic Synthesis Floorplanning Post-Layout Simulation Placement Physical Design Iteration Circuit Routing Extraction Tape-out Hình 7.2 Phương pháp lập trình + Ngõ vào thiết kế: là kỹ thuật được dùng để định nghĩa thiết kế hệ thống. Đối với thiết kế phân cấp của bộ giải mã, ngôn ngữ Verilog HDL được thiết kế cho từng khối chức năng dùng trình soạn thảo HDL. Các khối này được nối kết với nhau ở từng mức phân cấp của thiết kế, ví dụ như chức năng khối tính toán bit-kiểm tra và khối tính toán kiểm tra-bit. + Mô phỏng đặc trưng (mô phỏng chức năng): là thành phần tích hợp của tiến trình thiết kế HDL, qua đó kiểm tra chức năng hay logic của thiết kế trước bất kỳ điều kiện thời gian nào. Các điều kiện này được xem xét trong giai đoạn tổng hợp và thực hiện của quá trình thiết kế. + Tổng hợp thiết kế: dùng để biểu diễn mức chuyển thanh ghi (RTL – Register Transfer Level) của thiết kế. Quá trình này còn cung cấp thông tin về số Flip-Flop, thành phần logic, thành phần nhớ, . . . trong thiết kế. + Thực hiện thiết kế: Đây là quá trình biên dịch, đặt, đi dây các khối và tạp tập tin để nạp cho thiết kế. + Mô phỏng thời gian: sử dụng các thông tin các khối và trì hoãn khi đi dây từ thiết kế đã đi dây để đánh giá chính xác hơn đặc trưng của mạch điện tử ngay khi nó ở trong điều kiện xấu nhất. Điều này cho phép mô phỏng thiết kế gần nhất với thiết bị hoạt động thực. 44
46. Chương 7:Cấu trúc linh kiện FPGA và các công nghệ lập trình + Kiểm tra thiết kế: Đây là giai đoạn chủ yếu của thiết kế. Từng khối thiết kế được kiểm tra bằng cách ghi giá trị kiểm tra trước khi thực hiện thiết kế thực sự trên FPGA. + Cấu hình thiết kế: Trong suốt giai đoạn này của quá trình thiết kế, tập tin nạp vào chip thực sự dùng chuẩn JTAG hoặc dây cáp ByteBlaster. 45