Συστήματα Πολύ Μεγάλης Κλίμακας Ολοκλήρωσης (VLSI) (ECE_ELE820)

Λάμπρος Μπισδούνης

Περιγραφή

Η τεχνολογία κατασκευής και σχεδιασμού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων παρουσιάζει αλματώδη ρυθμό εξέλιξης. Οι διαστάσεις των τρανζίστορ είναι πλέον μικρότερες των 30nm και τα κυκλώματα γίνονται πιο σύνθετα, γεγονότα που αποτελούν προκλήσεις για τους κατασκευαστές και τους σχεδιαστές ψηφιακών κυκλωμάτων και συστημάτων πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI). Το μάθημα επικεντρώνεται στην τεχνολογία CMOS (complementary metal-oxide-silicon) και παρέχει απαραίτητες γνώσεις για το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία στοιχείων και κυκλωμάτων που βασίζονται στην τεχνολογία αυτή.

Βασικοί στόχοι του μαθήματος είναι η εισαγωγή στα κυκλώματα και συστήματα VLSI, η περιγραφή και κατανόηση των διαδικασιών κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων,  η κατανόηση της λειτουργίας των βασικών στοιχείων που απαρτίζουν τα ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα, καθώς και των παραμέτρων που επηρεάζουν την επίδοσή τους, της επίδρασης των διασυνδέσεων στη λειτουργία των κυκλωμάτων VLSI, η εξοικείωση με τη σχεδίαση λογικώ

Περισσότερα  
Περιεχόμενο του μαθήματος

Εισαγωγή στα κυκλώματα και συστήματα VLSI: ιστορική αναδρομή, βασικά θέματα σχεδιασμού ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, παράμετροι ποιότητας ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (κόστος, λειτουργικότητα, στιβαρότητα, ταχύτητα, κατανάλωση ενέργειας).

Διεργασία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων: κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τεχνολογίας CMOS, κανόνες σχεδιασμού, συσκευασία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, εξελίξεις στην διεργασία κατασκευής.

Tρανζίστορ MOSFET: βασικές έννοιες, τρανζίστορ τύπου p και n, περιοχές λειτουργίας, χαρακτηριστικές I-V, βασικά φαινόμενα που επηρεάζουν τη λειτουργία του, χωρητικότητες, μοντελοποίηση, δευτερεύοντα φαινόμενα..

Αντιστροφέας CMOS: κυκλωματικό διάγραμμα και βασικές έννοιες, στατική συμπεριφορά (χαρακτηριστική μεταφοράς, κατώφλι μετάβασης, περιθώρια θορύβου), δυναμική συμπεριφορά (χωρητικότητες, καθυστέρηση διάδοσης, κατανάλωση ενέργειας).

Διασυνδέσεις ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων: βασικές έννοιες, παρασιτικά στοιχεία διασυνδέσεων (χωρητικότητα, αντίσταση, αυτεπαγωγή), μοντέλα γραμμών διασύνδεσης.

Συνδυαστικά κυκλώματα CMOS: σχεδίαση λογικών πυλών τεχνολογίας CMOS, πύλες CMOS στατικής λογικής και χαρακτηριστικά τους (σχεδιασμός, στατικές ιδιότητες, καθυστέρηση διάδοσης, κατανάλωση ενέργειας), εναλλακτικές στατικές λογικές (ψεύδο-NMOS, DCVSL, τρανζίστορ και πύλη διέλευσης), πύλες CMOS δυναμικής λογικής, τεχνικές φυσικού σχεδιασμού (layout) απλών πυλών CMOS, τεχνικές φυσικού σχεδιασμού (layout) σύνθετων λογικών πυλών CMOS.

Ακολουθιακά κυκλώματα CMOS: βασικές έννοιες, χρονισμός, στατικοί μανδαλωτές (latches) και καταχωρητές (flip-flops), μανδαλωτές που βασίζονται σε πολυπλέκτες, ακμοπυροδοτούμενοι καταχωρητές, δυναμικοί μανδαλωτές και καταχωρητές, ψευδοστατικός καταχωρητής, καταχωρητές C2MOS (clocked CMOS), μανδαλωτές και καταχωρητές μοναδικής φάσης ρολογιού (TSPC), διοχέτευση (pipelining), λογική NORA-CMOS.

Μεθοδολογίες σχεδιασμού και υλοποίησης ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων: βασικές έννοιες, εξατομικευμένος (full-custom) σχεδιασμός, ημιεξατομικευμένος (semi-custom) σχεδιασμός που βασίζεται σε τυπικά κύτταρα (standrd-cell based design), μεταγλωτισμένα κύτταρα και μακροκύτταρα, σχεδιασμός και υλοποίηση που βασίζεται σε δομές πίνακα (arrays), προδιαχεόμενες δομές πίνακα (gate-arrays, sea-of-gates), προγραμματιζόμενες διατάξεις (PLAs, FPGAs), σύστημα σε ολοκληρωμένο κύκλωμα (system-on-chip).

Μαθησιακά αποτελέσματα

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής / τρια θα:

Σε επίπεδο γνώσεων

• περιγράφει τις βασικές αρχές λειτουργίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων,
• διακρίνει και να γνωρίζει τα βήματα της διεργασίας κατασκευής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με την τεχνολογία CMOS,
• γνωρίζει τη δομή και τη λειτουργία των τρανζίστορ MOSFET,
• προσδιορίζει στατικές και δυναμικές παραμέτρους βασικών κυκλωμάτων CMOS, όπως ο αντιστροφέας CMOS,
• γνωρίζει τους κανόνες και τις μεθόδους σχεδίασης στατικών και δυναμικών κυκλωμάτων CMOS,
• αναγνωρίζει τις βασικές παραμέτρους των γραμμών διασύνδεσης στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, καθώς και την επίδραση τους
   στην λειτουργία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων,
• περιγράφει τις υπάρχουσες μεθοδολογίες σχεδιασμού και υλοποίησης των ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Σε επίπεδο δεξιοτήτων

• εξηγεί με σαφήνεια τη διεργασία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων,
• αναλύει τους μηχανισμούς και τα φαινόμενα που επηρεάζουν τη λειτουργία των τρανζίστορ MOSFET,
• εκτιμά και να υπολογίζει στατικές και δυναμικές παραμέτρους (καθυστέρηση διάδοσης, κατανάλωση ενέργειας) βασικών
   κυκλωμάτων CMOS,
• εφαρμόζει τις γνώσεις που απέκτησε, ώστε να συνδυάζει βασικά ηλεκτρονικά στοιχεία (MOSFET) για τη σύνθεση στατικών και
   δυναμικών κυκλωμάτων CMOS και την ανάλυση της λειτουργίας τους,
• εξηγεί με επάρκεια τη δομή σύνθετων συνδυαστικών και ακολουθιακών κυκλωμάτων,

Σε επίπεδο ικανοτήτων

• σχεδιάζει σύνθετα συνδυαστικά κυκλώματα και κυκλώματα ακολουθιακής λογικής τεχνολογίας CMOS, σε επίπεδο τρανζίστορ και σε
   φυσικό επίπεδο (layout)
• χρησιμοποιεί εργαλεία λογισμικού για το φυσικό σχεδιασμό κυκλωμάτων CMOS και για την προσομοίωση της λειτουργίας τους,
• επιλύει προβλήματα που ανακύπτουν κατά τη σχεδίαση κυκλωμάτων CMOS,
• είναι εκπαιδευμένος/νη στις βασικές μεθοδολογίες σχεδιασμού και υλοποίησης των ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Βιβλιογραφία

J. M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα: Μια σχεδιαστική προσέγγιση, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, 2006.
H. Ν. Weste, D. M. Harris, Σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS VLSI, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, 2010.
S. Kang, Y. Leblebici, Ανάλυση και σχεδίαση ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS, Εκδόσεις Τζιόλα, 2007.
M.B. Lin, Introduction to VLSI systems: A logic, circuit and system perspective, CRC Press, 2012.
J. Segura, C. Hawkins, CMOS electronics: How it works, how It fails, Wiley-IEEE, 2004.
Y. Tsividis, Operation and modeling of the MOS transistor, Oxford University Press, 2003.
Y. Taur, T. Ning, Fundamentals of modern VLSI devices, Cambridge University Press, 2009.

Συναφή επιστημονικά περιοδικά

IEEE Transactions on VLSI Systems
IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems
IEEE Transactions on Circuits and Systems I & II
ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems
Integration, the VLSI Journal, Elsevier
Microelectronics Journal, Elsevier

Διαθέσιμα ηλεκτρονικά βιβλία

Λ. Μπισδούνης, Συστήματα πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI), Σημειώσεις διδασκαλίας, Τμήμα ΗΜΜΥ, Πανεπιστήμιο Πελοποννήσου, 2019. 

Μέθοδος διδασκαλίας

Οργάνωση διδασκαλίας

Η διδασκαλία του μαθήματος, οργανώνεται ως εξής:

• Διαλέξεις (3 ώρες εβδομαδιαίως)
• Ασκήσεις πράξης (φροντιστήριο) (1 ώρα εβδομαδιαίως)
• Εκπόνηση εργασιών σχετικών με το μάθημα (με χρήση εργαλείων λογισμικού).

Τρόπος παράδοσης

Το μάθημα διδάσκεται με δια ζώσης διαλέξεις κατά το εαρινό εξάμηνο.

Χρήση τεχνολογιών πληροφοφικής & επικοινωνιών

Στα πλαίσια του μαθήματος γίνεται χρήση τεχνολογιών πληροφοφικής & επικοικοινωνιών και παρέχονται:

• Παρουσιάσεις θεωρίας και ασκήσεις, οι οποίες έχουν αναρτηθεί από την αρχή του εξαμήνου στο eClass.
• Υποστήριξη μαθησιακής διαδικασίας μέσω της πλατφόρμας eClass (για επικοινωνία μέσω μυνημάτων και forum, για διανομή
   σημειώσεων διδασκαλίας, ασκήσεων, ηλεκτρονικών βιβλίων και συμπληρωματικού υλικού, ανακοινώσεις, χρήσιμους συνδέσμους
   και βιβλιογραφία).
• Χρήση εργαλείων λογισμικού για την εκπόνηση εργασιών.

Μέθοδος αξιολόγησης

Η αξιολόγηση των φοιτητών προκύπτει από την επίδοσή τους στην τελική γραπτή εξέταση του μαθήματος που περιλαμβάνει επίλυση προβλημάτων / ασκήσεων και ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής με διαβαθμισμένη δυσκολία. Η επιμέρους βαθμολογία κάθε θέματος της εξέτασης είναι διαθέσιμη. Επίσης, λαμβάνεται υπόψη η επίδοσή των φοιτητών κατά την εκπόνηση των ανατιθέμενων εργασιών.

Προαπαιτούμενα

Δεν υφίστανται προαπαιτούμενα μαθήματα. Ωστόσο, συστήνεται επαρκής γνώση βασικής ηλεκτρονικής και ψηφιακών κυκλωμάτων & συστημάτων.

Διδάσκων

Λάμπρος Μπισδούνης, Kαθηγητής
Εργαστήριο Αναλογικών Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων
Κτήριο Α1, 1ος όροφος
Τηλ. 2610 369293
E-mail: bisdounis@uop.gr
Ιστοσελίδα: http://econ.uop.gr/~bisdounis