VLSI System Design. INEL 6080 Introduction 8/21/2015

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1 Objetivos: Desarrollar el conocimiento y las destrezas fundamentales para el análisis, diseño simulación y fabricación de circuitos integrados a gran escala (conocidos en inglés como CMOS VLSI circuits ). Utilizar herramientas computacionales para el diseño, evaluación y análisis practico de dichos circuitos. Prerrequisitos: Se espera que los estudiantes matriculados en este curso tengan un entendimiento de nivel sub-graduado de los siguientes temas: Diseño de circuitos lógicos Operación de transistores tipo MOS Compuertas lógicas a base de transistores tipo MOS Circuitos secuenciales Algoritmo y programación fundamentales Texto: N. Weste and D. Harris, CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective 4 th Edition, Pearson Education, Inc. 1

2 Exámenes: Solo habrá un examen a ser administrado a mediados del semestre. El lugar y la fecha tentativa para el examen son: Examen miércoles 30 de octubre (S-210B, 8:30am 11:30am) ***La ausencia a un examen sin excusa justificada * resultará en una calificación de 0% en dicho examen. Se le permitirá reponer un solo examen a aquel estudiante que presente una escusa justificada *. Proyecto: Se asignará un proyecto final a ser entregado tentativamente en la fecha y la hora asignada para el examen final. El proyecto final podrá será en grupo; de ser así, se tomara en cuenta la contribución de cada uno de los integrantes en su calificación final individual. Una discusión completa y detallada sobre la calificación del proyecto se les proveerá durante el transcurso del curso. Este proyecto es requisito para la aprobación final del curso. Asignaciones: Las asignaciones deberán ser entregadas una semana después de ser anunciadas al comenzar el período de clase. Asignaciones entregadas tardes tendrán la siguiente penalidad: 10% - un día después de la fecha limite 25% - dos días después 50% - tres días después 100% - después del tercer día Nota del Curso: La nota del estudiante será determinada utilizando el siguiente esquema basado en la curva provista: Asignaciones - 40% Examen - 30% Proyecto - 30% Nota Final- 100 A 90 90>B 80 80>C 70 70>D 60 60>F 2

3 Introduction Chapter 1.0 Integrated circuits: many transistors on one chip. Very Large Scale Integration (VLSI): bucketloads! Complementary Metal Oxide Semiconductor Fast, cheap, low power transistors Today: How to build your own simple CMOS chip CMOS transistors Building logic gates from transistors Transistor layout and fabrication Rest of the course: How to build a good CMOS chip Electronics I 3

4 Invention of the Transistor Vacuum tubes ruled in first half of 20 th century Large, expensive, power-hungry, unreliable 1947: first point contact transistor John Bardeen and Walter Brattain at Bell Labs Bipolar transistors npn or pnp silicon structure Small current into very thin base layer controls large currents between emitter and collector Base currents limit integration density Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors nmos and pmos MOSFETS Voltage applied to insulated gate controls current between source and drain Low power allows very high integration 4

5 MOS Transistor A Brief History 1958: First integrated circuit Flip-flop using two transistors Built by Jack Kilby at Texas Instruments 2010 Intel Core i7 m-processor 2.3 billion transistors 64 Gb Flash memory > 16 billion transistors 5

6 MOS Integrated Circuits 1970 s processes usually had only nmos transistors Inexpensive, but consume power while idle 1980s-present: CMOS processes for low idle power 6

7 Moore s Law: Then 1965: Gordon Moore plotted transistor on each chip Fit straight line on semi-log scale Transistor counts have doubled every 26 months Integration Levels SSI: MSI: LSI: VLSI: 10 gates 1000 gates 10,000 gates > 10k gates 7

8 Moore s Law: Now 8

9 Feature Size Minimum feature size shrinking 30% every 2-3 years 9

10 Silicon Lattice Transistors are built on a silicon substrate Silicon is a Group IV material Forms crystal lattice with bonds to four neighbors Doping n - type Silicon is a semiconductor Pure silicon has no free carriers and conducts poorly Adding dopants increases the conductivity Group V: extra electron (n-type) Group III: missing electron, called hole (p-type) p - type Electronics I 10

11 INEL 6080 Introduction 8/21/2015 The p-n Junction A junction between p-type and n-type semiconductor forms a diode. Current flows only in one direction Forward Biased Reverse Biased 11

12 MOSFET Transistor MOS Metal Oxide Semiconductor FET Field-Effect Transistor 4 terminal device Advantages: - Small area; comparatively - Less power - Relatively simple manufacturing process Simplified structure of the n-type MOS transistor nmos Symbol * If the bulk terminal is omitted, it is presumed is connected to the source 12

13 CMOS Cross section of CMOS integrated circuit Complementary MOS Transistor N-type & P-Type Most widely used in IC Technologies pmos Symbol * If the bulk terminal is omitted, it is presumed is connected to the source 13

14 nmos / pmos Operation Two external voltage sources are required for biasing Three operation modes: 1) Cut-Off 2) Ohmic 3) Saturation used for switching! used for amplification! 14

15 Transistors as Switches We can view MOS transistors as electrically controlled switches Voltage at gate controls path from source to drain s g d s s g = 0 g = 1 d d Input g = 1 Output 0 strong 0 g = 1 1 degraded 1 g s g = 0 d Input g = 0 Output 0 degraded 0 s d s g = 1 d 1 g = 0 strong 1 15

16 Transmission Gates Pass transistors produce degraded outputs Transmission gates pass both 0 and 1 well Transmission gate acts as tristate buffer Tristate buffer produces Z when not enabled EN A Y

17 CMOS Logic Gates Inverter NAND Gate A Y A V DD Y A 0 1 Y A B Y A B Y GND

18 CMOS Logic Gates NOR Gate Complementary CMOS logic gates nmos pull-down network pmos pull-up network a.k.a. static CMOS pmos pull-up network inputs output A B Y A B Y Pull-down OFF Pull-down ON Pull-up OFF nmos pull-down network Pull-up ON 18

19 CMOS Logic Gates Sketch a the following logic gate Y = A + B + C D A A B C B D D C Y 19

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