CAO des Circuits CAO des Circuits Analogiques Analogiques
FonctionnementModélisationConceptionDessin des masques
Master IGIS, spécialité MicroélectroniqueCours de R. Grisel
PrPréésentation du courssentation du coursSéances de cours :
Introduction généraleLes évolutions des technologies SiliciumLes différentes techniques de conception VLSILe transistor MOS à la loupe (microscopique)Modélisation du transistor MOS.Les circuits de base (amplification).Techniques d ’intégration.
Travail personnel :
Modélisation, simulation, dessin (simplifié) inverseurOutils « freeware » (PSPICE, MICROWIND)
Projet
Références bibliographiquesCMOS Analog Circuit Design P.E. ALLEN, D.R. HOLBERG, Oxford University Press.
VLSI Design Techniques for Analog and Digital Circuits, R.L. GEIGER, P.E. ALLEN, N.R. STRADER, Mc GraW-HILL International Editions.
Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, P.R. GRAY, R.G. MEYER, John Wiley & Sons Inc.
Analog Integrated Circuit Design, David A.Johns, Ken Martin, John Wiley & Son.
Analog IC Design : The Current-Mode Approach, C. TOUMAZOU, F.J. LIDGEY, D.G. HAIGH, London Peregrinus.
CMOS Circuit design, Layout, and simulation, R.Jacob Baker, Harry W.Li, David E.Boyce, IEEE Press series on microelectronic.
Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Paul R.Gray, Robert, G.Meyer, John Wiley & Son.
Microelectronic circuits, Adel S.Sedra, K.C.Smith, Oxford University Press
Site Web du MasterSite Web du Master
http://richard.grisel.free.fr/Master_OSM
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Introduction générale
microélectroniqueCircuits et Systèmes
• Microélectronique est à la croisée des chemins – "Révolution Computationnelle"– "Révolution Communicationnelle"
Electronique : Marché de $1 Trillion 1 000 Milliards de dollars US
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Applications des Semiconducteurs• Circuits Logiques
– "Computeurs", DSP
• Amplificateurs– "Hi-Fi", Communications sans fil, Téléphonie
• Mémoires– DRAM, SRAM, NVRAM
• Lasers– Communications Optiques, Lecteurs CD
• Photodiodes– Recépteurs (Comm. optique, Camera numérique)
• "Charge Coupled Device" (CCD)– Camera numérique
• Beaucoup d'autres– Capteurs, MEMS, Afficheurs
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Contenu du Cours
Introduction aux composants "microelectroniques" et circuits associés
• Composants en microélectronique– Physique des SC (Supposée connue)
– "Metal-oxide-semiconductor field-effect transistors" (MOSFETs)
• Circuits microélectroniques– Circuits numériques (Principalement CMOS)– Circuits Analogique (MOS et CMOS)
Donne les "pré-requis" pour :
• Technologie des procédés en Microelectronique• Physique des composants• Conception des circuits Analogiques• Conception des circuits numériques
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Microelectronique:Révolution "computationnelle"
1.E-06
1.E-04
1.E-02
1.E+00
1.E+02
1.E+04
1.E+06
1.E+08
1900 1920 1940 1960 1980 2000
Year
Cal
cula
tions
per
sec
ond/
$100
0
mechanicallogic
electromechanicallogic
vacuum tubelogic
discrete transistor logic
IC logicfrom R. Kurzweil in "The Age of Spiritual Machines ", 1999
Ces 30 dernières années, la performance pardollar a été multipliée par plus d'un million!
6
Microelectronique:Révolution "communicationnelle"
En 20 ans, la bande passante pour une simple fibre optique a été multipliée d'un facteur 10000.
7
A l'intérieur du système...
Ordinateur personnel:"Hardware" & "Software"
PCB:
Module:100K composants
Cellule:50 composants
Porte:10 composants
MOSFETCodage numérique de
l'information
Circuit intégré:5Million composants
8
A l'intérieur d'un CI …
Itanium — Intel
• Un réseau d'interconnexions (plusieurs niveaux avec complexité varaible)
• Très haute densité de transistors (taille minuscule)
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Composants et circuits en microélectroniqueQuelles tendances?
• Croissance exponentielle en complexité et functionalité pour les CIs [loi de Moore]
• Décroissance exponentielle du cout par fonction des circuits intégrés
• Décroissance exponentielle de la consommation par fonction des circuits intégrés
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Evolution (Intégration des transistors)
1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002
1K
4K16K
64K
1M
4M
16M
128MDRAM
Cost / Bit ($, 95)
2006
256M 1G
4004
8086
8080
Pentium Pro
8028680386
Pentium
Pentium IIPentium III
Cos
t/Bit
($, 9
5)
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
Tran
sist
ors
/ Chi
p
107
106
105
104
103
108
109
Cos
t/Fun
ctio
n
Pentium IV
#1
256K80486
64M
#2
Microprocessor
102
10-9
Loi de Moore:La densité transistor double tous les1.5 - 2 ans
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Performance des Processeurs Tendances
Intel microprocessor
0.01
0.1
1
10
100
1000
10000
71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00
Date of Introduction
MIP
S
386
4004
8080
8086 80286
486
Pentium
Pentium ProPentium II
XeonPentium III
La loi de Moore est suiviex2 tous les 2 ans
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Fréquence d'horloge des Microprocesseurs
P6Pentium ® proc
48638628680868085
8080800840040.1
1
10
100
1000
10000
1970 1980 1990 2000 2010Year
Freq
uenc
y (M
hz)
Double tous les2 ans
S. Borkar
15
Consommation
Courtesy S. Borkar, Intel
5KW
18KW
1.5KW
500W
40048008
80808085
8086286386
486
Pentium® proc
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008
Year
Pow
er (W
atts
)
La puissance par porte (gate) diminue mais
la consommation totale augmente …
16
Succès de la Microélectronique Les raisons?
"Révolution" industrielle possible par:
1. Technologie Si
2. MOSFET
3. Changement d'échelle des composants
4. Technologie de Microfabrication
5. Circuits CMOS
6. "Ingénierie" Circuit (CAD)
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1. Silicium
• Peu cher et abondant
• Excellentes propriétés mécaniques, chimiques etélectroniques
• L'oxyde natif a une bonne interface avec le Silicium
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2. MOSFETMetal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistor
MOSFET = "switch"
•Gain élevé
•Isolation
•Vitesse
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NMOS et PMOS
• MOSFET– Composant avec gain correct, isolation et vitesse
– 2 particularités complémentaires (conduction descharges négatives + conduction des charges positives)
– Facteur d'échelle autorisé (en taille)
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3. Changement d'échelle du composant
• En 30 ans, la taille typique d'un CI s'est réduite considérablement
– Bardeen, Brittain & Shockley ≈ 75 µm– Travaux actuels ≈ 0.09 µm– Limite dimensionnelle actuelle ≈ 0.05 µm Bardeen,
Brittain & Shockley-1947
First IC-1959
ICs-1980
ICs-1999
End of the road?20XX
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Echelle des composantset Interconnexions
100nm Microprocessor350nm Microprocessor
AluminumConductors (5)
OxideDielectric+ CMP (5)+ Etch (6)TungstenPlugs (5)
Transistor
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Temps de propagation (Grille)
1
10
100
1000
0.1 1 10
Gate length (µm)
Gat
e de
lay
(ps)
• La performance du MOSFET augmente
– Temps de commutation plus court ("distance"moins grande)
– Consommation plus faible
• alors que la taille diminue
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4. Technologie Microfabrication
CourtesyDr. Gary Bronner, IBM
• Fabrication de structures, extrèmement petites précisément et de manière reproductible
• Intégration de composants différents avecune bonne isolation
• Fabrication granndes séries de systèmes complexes forte densité — 108 transistors et association des conducteurs sur Si
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5. Circuits CMOS "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor"
• Interrupteur N-MOSFET actif pour V>0– Décharge de la capacité quand le N-MOSFET est
actif
• Interrupteur P-MOSFET actif pour V<0– Charge de la capacité quand P-MOSFET est actif
• Pas de consommation "DC" (statique)
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6. Ingénierie des Circuits
• Modèle simple au premier ordre basé sur la physique– permet conception analogique et numérique
– permet estimation de l'impact des variations du composant sur les performances du circuit
• Techniques de conception tolerant les fluctuations logiques et diaphonie
• Techiques de conception qui s'adaptent à l'"environnement"– insensible aux variations de fabrications
• Techniques de conception qui minimisent la consommation par porte
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