Digital mikroelektronikk Våren 2013

Presentasjon om: "Digital mikroelektronikk Våren 2013"— Utskrift av presentasjonen:

1 Digital mikroelektronikk Våren 2013
INF3400 Digital mikroelektronikk Våren 2013

2 INF3400 våren 2013 Forelesninger: Gruppetimer: Pensum: Eksamen:
May 2004 INF3400 våren 2013 Forelesninger: Tid og sted: Tirsdag – 14.00, Seminarrom C Torsdag – 14.00, Java Foreleser: Yngvar Berg, Innhold: Teori og oppgaver Kompendier: Teori og oppgaver. Gruppetimer: Tid og sted: Onsdag – 16.00, Gruppelærer: Innhold: Hjelp til obliger. Pensum: Kompendier: Del 1 til og med Del 15 Teorikompendier Bok: Neil H.E. Weste og David Harris, ``Integrated Circuit design'’ fjerde utgave 2011, ISBN: , Pearson: Det hensvises til denne boken fra teorikompendiene. Eksamen: Hjelpemidler: Alle trykte og skrevne og godkjent kalkulator. Håvard Kolle Riis

3 May 2004 Håvard Kolle Riis

4 Digital mikroelektronikk Nanoelektronikk: historie og framtid.
INF3400 Digital mikroelektronikk Nanoelektronikk: historie og framtid.

5 Historien Det binære tallsystem: 300 f.Kr. Pingali, India
Første mekaniske analoge (data)maskin: 1015 Abū Isḥāq Ibrāhīm ibn Yaḥyā al-Naqqāsh al-Zarqālī, Spania Kombinatorisk logikk: 1300 Ramon Llull ,Spania Boolsk algebra: 1848 Georg Boole, England Første logiske krets: 1924 Walther Bothe, Tyskland Første beskrivelse av datamaskin: 1936 Alan Touring, England Første elektromekaniske datamaskin: 1936 Konrad Zuse, Tyskland Første integrerte transistor: 1958 Jack Kilby, USA (TI) CMOS: 1963 Frank Wanlass, USA (Fairchild) 26. desember 2018

6 Noen spådommer om teknologiutviklingen
Sir William Preece, sjefsingeniør i British Post Office, 1878 : "The Americans have need of the telephone, but we do not. We have plenty of messenger boys.” Thomas Watson, styreleder i IBM, 1943: "I think there is a world market for maybe five computers.” Popular mechanics, 1949: " In the future, computers may weight no more than 1.5 tonnes." Ken Olsen, grunnlegger av Digital Equipment Corp., 1977: "There is no reason anyone would want a computer in their home." Bill Gates, Microsoft, 1981: "No one will need more than 637KB of memory for a personal computer—640KB ought to be enough for anybody." Bill Gates, Microsoft, 1993: " The Internet?  We are not interested in it." Bill Gates, Microsoft, 1994: “I see little commercial potential of the Internet for at least ten years."

7 Andre spådommer om teknologiutviklingen
Gordon E. Moore (Intel) 1965: Integrerte kretser vil føre til: “Personal portable communications equipment.” “Home computers - or at least terminals connected to a central computer.” Ray Kurzweil (2010): “PCs are capable of accessing information wirelessly via the Internet.” “Supercomputers will have the same raw computing power as human brains.” “Computers will start to disappear as distinct physical objects.”

8 CMOS – Moores Lov Antallet transistorer dobles i løpet av to år.
Molecules : < 10nm Atom (H) : 0.1nm

9 Nanoelektronikk

10 Moores Lov? 1706: 92000000000ly Universet 1775: 100000ly Melkeveien
1853: km Jorden 1903: x120m Fotballbane (2) 1958: 1.6x11.1mm Første integrerte transistor 2010: 16x16nm CMOS transistor 2015: 5x5nm CMOS transistor 2032: nm Hydrogen atom 2073: fm Atomkjerne 2279: ym Planck lengde m eller nm

11 Informasjons- og kommunikasjonsteknologi (IKT)
May 2004 Informasjons- og kommunikasjonsteknologi (IKT) IKT og samfunn Anvendelser: Matematisk modellering Bioinformatikk Signalbehandling Robotikk Kunstig intelligens Integrerte kretser. Transistorer. Transmisjonsmedium. Ledere. Fiber. Trådløst. Datamaskiner. Mobiltelefoner. Nettverk. Internett. Datamaskiner Nettverk Programmering Kommunikasjon Teknologi INF3400 Grunnleggende digital CMOS Håvard Kolle Riis

12 Nanoelektronikk

13 May 2004 Transistor som bryter CMOS står for Complementary Metal On Semiconductor. I CMOS teknologi er det to komplementære transistorer, pMOS og nMOS. Logisk 0 = gnd (VSS) Logisk 1 = VDD s = source g = gate d = drain AV PÅ PÅ AV Source terminal for en pMOS transistor har høyere spenning enn drain terminal. MOS transistorer er bidireksjonale, dvs. source og drain kan bytte plass. Source terminal for en nMOS transistor har lavere spenning enn drain terminal. Mikroelektronikk er integrert teknologi i mikro størrelse, dvs. lengden på transistorer. Nanoelektronikk kan være integrert teknologi i nano størrelse, som i praksis betyr at transistorlengden er mindre enn 100 nano meter. INF3400 Grunnleggende digital CMOS Håvard Kolle Riis

14 May 2004 CMOS inverter Håvard Kolle Riis

15 Litt kvantefysikk Lyshastigheten er ca 300 000 000 m/s
Elektronhastighet er ca m/s Elektroner i styrt bevegelse er mm/time Litt kvantefysikk Dersom et atom tilsvarer et rom på (10m) 100m3 vil et proton være usynlig (dvs mindre enn 100 mikrometer) og et elektron være ca 10nm. (Proton x 1E5, Elektron x 2E9) 10m x 1E-5 = 1E-4 m (100 mikrometer) 10m x 2E-9 = 2E-8 m (20 nanometer) Eller dersom jeg er en kjerne Så vil et atom være: 2m x 1E5 = 2E5m = 200km (Dvs i en radius tilsvarende til larvik) Og et elektron være: 2m x2E-4 = 4E-4m = 0,4mm Og hastigheten til elektronet er ca m/s = 2000km/s = km/time (Dvs dersom elektronet skal til larvik bruker det 1/200 sekunder dvs mindre enn 1/hundredel av et sekund. Antall atomer i 1cm3 ! Atom er ca 0,1nm i diameter dvs da er det plass til (E10/1E2)^3 atomer E(8+8+8) = E24 atomer Antall galakse i universet ca 3E11 og antall solsystem i hver galakse er 3E11 da blir antall solsystemer i universet ca 1E23 og antall planeter ca 1E24. Sandkorn (1mm^3) Da blir antall atomer ca 1E21. En transistor er ca 20nm stor, da er det plass til 1/2(E8/1E3)^3 i et sandkorn, dvs ca 1E14 transistorer i et sandkorn. Det vil i praksis si ca kraftige datamaskiner. En transistor består av Silisium og kvarts. Tidskonstant i CMOS er ca 10ps som tilsvarer 100 milliarder ganger per sekund. Dersom vi antar en avstand på 1000nm vil hastigheten være 1000nm/10ps = 1E-6m/1E-11s = 1E5m/s ( ) m/s Litt kvantefysikk Lyshastighet km/s = m/s = 3E9m/s Elektron (drift) med mm/time Elektron (hydrogen) har en hastighet 2.19E6m/s dvs. ca 1 promille av lystastigheten. 10 ps = per sekund = 100 Giga Herz Tilsvarer ca m/s

16 Introduksjon til CMOS fabrikasjonsprosess
May 2004 Introduksjon til CMOS fabrikasjonsprosess Håvard Kolle Riis

17 May 2004 Håvard Kolle Riis

18 Integrerte kretser Blått lys (UV) Maske Arsen (As)
Halvleder n(egativ)type (Si) Halvleder ptype (Si) Oksygen (O2) Isolator (SiO2) Halvleder (Si) Oksygen (O2) Isolator (SiO2) Halvleder (Si) Bor (B) Dopet silisium (Si) – p(ositiv)type Glassmaske Polysilisium (halvleder) Fotoresist Udopet silisium (Si) 26. desember 2018

19

20 Hva er en nanometer? Mikroteknologi Nanoteknologi Solsystem Atom
Elektron Galakse Omtrent avstand fra jorda til månen = 3.8E8 m sola = 1.5E11 m Gjennomsnittlengden i verden fra univers til elektron er (E4 = 10km) dvs samme som avstanden fra stokkeveien 4 til konnerud. Sandkorn Proton Universet Transistor Jorda 1E27 1E E21 1E E E E E E m 1E E E E E E E-21 Lysår Giga Mega Kilo Milli Mikro Nano Pico Femto Atto

21 Nanoelektronikk og mikroteknologi
- CMOS Mikrosystemer - MEMS

22 Hva med oss? Pacemaker. Elektronisk øre. Elektronisk øye.
Stimuli fra hvor som helst. Innebygget oversettelse. Hva med wikipedia? Eller toveis? Elektronisk øye. Perfekt syn. Zoom. Røngten syn. Repetisjon. Hva med toveis? Dreamtube.

23 Karbon Hydrogen Silisium Protoner Elektroner Ioner Oksygen Oksygen
Kobber Ioner Oksygen Silisium Karbon Aluminium Oksygen Karbon Hydrogen

24 Sanser Følesans Hørsel Lukt Smak Syn
Elektronisk øre Elektronisk nese Elektronisk øye Alle sanseinntrykk kan formidles elektronisk. Den virkelige verden kan erstattes med en virtuell verden. Dersom alt kan erstattes med en elektronisk modell, kan det allerede være slik.