1. Introduction to VLSI ASIC Design and Technology
Sagi Zalcman
Ben Gurion university
Introduction

2. Introduction 1906 1947 Audion (Triode), 1906 Lee De Forest
First point contact transistor (germanium), 1947
John Bardeen and Walter Brattain
Bell Laboratories
Introduction

3. Introduction 1958 1997 First integrated circuit (germanium), 1958
Jack S. Kilby, Texas Instruments
Contained five components, three types:
transistors resistors and capacitors
Intel Pentium II, 1997
Clock: 233MHz
Number of transistors: 7.5 M
Gate Length: 0.35
Introduction

4. “The world is digital…?”
ייצוג אנלוגי של מספרים
בייצוג אנלוגי יש קשר רציף בין הנתון לגודל המייצג (לדוגמה קשר מונוטוני עולה)
כול גודל פיסיקלי ניתן לייצוג מספרי ללא פגיעה בדיוק
יתרונות
פשוט ליצור
נושא הרבה אינפורמציה
חסרונות
רגיש להפרעות – לא אמין -> חוסר דיוק
מצריך מערכות מסובכות לקריאה וכתיבה לרכיב
דוגמה לייצוג אנלוגי – שעון מחוגים
המחוגים מראים את השעה בדיוק גבוהה מאשר שעון דיגיטלי
אבל מנגנון השעון לא אמין מספיק והעיניים שלנו מתקשות לראות בדיוק
את השעה המדויקת
Introduction

5. האם יש שימוש ברכיבים אנלוגיים
Introduction

6. שימוש ברכיבים אנלוגיים
Amplification of very week signals
A/D and D/A conversion
RF communications
Very high frequency amplification and signal processing
As digital systems become faster and faster and circuit densities increase:
“Analogue” phenomena are becoming important in digital systems
Introduction

7. מעבר מאנלוגי לדיגיטלי 4 2 1 1/2 1/4 1 5 . 8828125 1/8 1/16 1/32 1/64
אפשר לייצג כול דיוק שנרצה ע"י מספר ביטים ככול שנקצה יותר ביטים כך הדיוק יגדל
לדוגמא : 4 2 1
1/2
1/4
1/8
1/16
1/32
1/64
1/128 1
יצרנו מספר עד גודל של 1/
עם דיוק של עד 1/128
Introduction

8. “Moore’s Law”
The number of transistors that can be integrated on a single IC grows exponentially with time.
“Integration complexity doubles every three years”
Gordon Moore
Fairchild Corporation
Introduction

9. Trends in transistor count
42 M transistors
Number of transistors doubles every 2.3 years
(acceleration over the last 4 years: 1.5 years)
Increase: ~20K
2.25 K transistors
(From:
Introduction

10. Trends in clock frequency
2 GHz
Intel Labs
Sub-ps switching transistor
mP clock > 20 GHz
Gate length: 20nm
Gate oxide: 3 atomic layers
In production: 2007 ! .
Introduction

11. Trends in feature size 0.13 mm in production Intel Labs
Sub-ps switching transistor
mP clock > 20 GHz
Gate length: 20nm
Gate oxide: 3 atomic layers
In production: 2007 !
0.13 mm in
production
Introduction

12. Driving force: Economics (1)
Traditionally, the cost/function in an IC is reduced by 25% to 30% a year.
To achieve this, the number of functions/IC has to be increased. This demands for:
Increase of the transistor count
Decrease of the feature size (contains the area increase and improves performance)
Increase of the clock speed
Introduction

13. Driving force: Economics (2)
Increase productivity:
Increase equipment throughput
Increase manufacturing yields
Increase the number of chips on a wafer:
reduce the area of the chip: smaller feature size & redesign
Use the largest wafer size available
Example of a cost effective product (typically DRAM): the initial IC area is reduced to 50% after 3 years and to 35% after 6 years.
Introduction

14. “Is there a limit?” Silicon lattice constant: 5.42 A
Gate oxide: 1.2 nm
 3 Si atomic layers!
Introduction

15. Design abstraction levels
Introduction

16. ASIC
Application-Specific Integrated Circuit
Introduction

17. ASIC – מסכות 1 2 3 4 5 6
Introduction

18. CPLD CPLD - Complex Programmable Logic Device PLA PAL
Programmable Logic Array
PAL
Programmable Array Logic device
Introduction

19. CPLD -מבנה יתרונות – מהיר מאוד צריכת חשמל נמוכה צפיפות שערים גדולה
חסרונות – לא מאפשר תכנון גמיש
חסר חלוקה לרמות
Introduction

20. מבנה - FPGA
junction
slice
Introduction

21. Slice in FPGA
Introduction

22. FPGA
I/O
LUT FF
control
junction
Introduction

23. FPGA
FPGA : Field Programmable Gate Array A B C D
OUT
Introduction

24. HDL - Hardware Description Language
VHDL
Very high Hardware Description
Language
VERILOG
Introduction