Curso Curso M M á á ster ster : : Microelectr Microelectr ó ó nica Digital nica Digital . . Leopoldo Garc Leopoldo Garcí a Franquelo a Franquelo Departamento de Departamento de Tecnolog Tecnologí a Electr a Electró nica. nica. Tema 2 Tema 2 Dispositivos Programables Dispositivos Programables por el usuario (I) por el usuario (I)
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25/10/2006 Curso Master: Microelectrónica Digital. Tema II 9
ProgramaciProgramacióón: ANTIFUSIBLES (2)n: ANTIFUSIBLES (2)PLICE:ProgramableLow ImpedanceCircuit Element
METAL1
METAL2
ANTIFUSIBLE
POLISILICIO
DIFUSION n+
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Resistencia de programaciResistencia de programacióón n de un de un antifusibleantifusible
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Corriente de programación en mA
Res
iste
ncia
del
ant
ifusi
ble
en K
ohm
sSin programar: 1 GigaOhm
25/10/2006 Curso Master: Microelectrónica Digital. Tema II 11
CaracterCaracteríísticas del sticas del antifusibleantifusiblenn Se programa cada Se programa cada antifusibleantifusible mediante la mediante la
aplicaciaplicacióón de una tensin de una tensióón de 16V durante 1ms.n de 16V durante 1ms.nn Se aSe aññaden tres capas en el proceso de fabricaciaden tres capas en el proceso de fabricacióón n
CMOS estCMOS estáándar.ndar.nn Durabilidad de 40 aDurabilidad de 40 añños os
25/10/2006 Curso Master: Microelectrónica Digital. Tema II 12
ProgramaciProgramacióón: EPROM (1)n: EPROM (1)
Puerta de control
Puerta Flotante
Línea de palabra
Metal
Óxido
Difusión n
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ProgramaciProgramacióón: EPROM (2)n: EPROM (2)
iD
VGVT
5 V
VT0
∆VT
∆VT=-Q/CFC
Característica de transferencia con la puerta flotante
cargada
Característica de transferencia con la puerta flotante
descargada
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Sustrato p
ProgramaciProgramacióón: FLASH (1)n: FLASH (1)
Puerta de control
Contacto Drenador
Contacto Fuente
Puerta Flotante
A A’
BB
’
Fuente Drenad.Sustrato p
Sección BB’
Puerta de control
Puerta Flotante
Oxido inter-poly
Oxido de Puerta
Sección AA’
Oxido de Puerta
Oxido inter-poly
Puerta FlotantePuerta de
control
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25/10/2006 Curso Master: Microelectrónica Digital. Tema II 52
Decisiones sobre Decisiones sobre InterconexionadoInterconexionado
nn CuCuáántos segmentos por Canalntos segmentos por Canalnn CCóómo de largosmo de largosnn Cuantos interruptores de rutadoCuantos interruptores de rutadonn Compromiso entre velocidad y Compromiso entre velocidad y ááreareann Herramientas de rutado optimizadas para Herramientas de rutado optimizadas para
arquitecturaarquitecturann Se requiere mSe requiere máás investigacis investigacióónn
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Modelo de Modelo de FPGAsFPGAsBloques Lógicos
Bloques deEntrada/Salida
Recursos deConexionado
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Bloque de E/S: Bloque de E/S: XilinxXilinx--40004000
Pad
Q D
D
C E
C E
Q
D e la y
S le w R a t eC o n t ro l
P a s s iveP u ll-U p /
P u ll-Do w n
O u t
T
O utpu tC lock
I
Inpu tC lock
ClockE na ble
2
I1
Flip-Flop/latch
Flip-Flop/latch
InputBuffer
OutputBuffer
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estructuras muy repetitivas)estructuras muy repetitivas)nn Hasta 25 M. Puertas.Hasta 25 M. Puertas.nn DiseDiseñño con las mismas herramientas que ASIC.o con las mismas herramientas que ASIC.nn IntegraciIntegracióón HW/SW se retrasa en los n HW/SW se retrasa en los ASICsASICs hasta hasta
que no se reciben muestras que no se reciben muestras ““buenasbuenas””nn Tiempo de llegada al mercado menor que ASIC.Tiempo de llegada al mercado menor que ASIC.
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–– Mejora de arquitecturas para reducir 100 Mejora de arquitecturas para reducir 100 TrTr./Puerta../Puerta.
–– Mejora algoritmos sMejora algoritmos sííntesis... (optimizar uso de ntesis... (optimizar uso de recursos internos)recursos internos)
–– DiseDiseñño de Dispositivos con mo de Dispositivos con móódulos dulos especializados (Tratamiento de seespecializados (Tratamiento de seññal, al, Comunicaciones...)Comunicaciones...)
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ComparaciComparacióón PLDn PLD--ASIC (5)ASIC (5)
Evolución con el tiempo del límite derentabilidad entre ASICs y FPGAs
•Los costes de NRE suben:
•Coste por máscara
•Número de máscaras
•Sube pedido mínimo:
•Sube número de CIs“buenos” al bajar la regla de diseño
•El tamaño de las obleas sube
•Cada vez quedan menos fabricantes activos
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ComparaciComparacióón PLDn PLD--ASIC (6)ASIC (6)
nn Las Las FPGAsFPGAs pueden sustituir pueden sustituir ASICsASICs por:por:–– Capacidad adecuada.Capacidad adecuada.–– Suficientes prestaciones.Suficientes prestaciones.–– Costo unitario no muy superior.Costo unitario no muy superior.–– Son productos estSon productos estáándar.ndar.
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Uso de Uso de FPGAsFPGAsnn Inicialmente como Inicialmente como ““GlueGlue LogicLogic””: Uniendo : Uniendo
digitales completos (alta capacidad).digitales completos (alta capacidad).–– Realizando diseRealizando diseñños que se hubiesen tenido que os que se hubiesen tenido que
hacer con hacer con ASICsASICs..–– Emulando partes de Emulando partes de ASICsASICs muy complejos.muy complejos.
nn En el futuro inmediato, realizando sistemas En el futuro inmediato, realizando sistemas digitales/analdigitales/analóógicos completos (capacidad gicos completos (capacidad muy elevada).muy elevada).
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Gasto en I+D (Gasto en I+D (XilinxXilinx) ( ) ( MillMill. $). $)
0
100
200
300
400
500
600
700
1995 1996 1997 1998 1999 2004 2005 2006
VentasGasto en I+D
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0
5
10
15
20
25
1999 2001 2002 2004
Coste relativo porpuerta (en 2004=1)
EvoluciEvolucióón del mercado den del mercado deDispositivos LDispositivos Lóógicos Programablesgicos Programables
Rápido crecimiento del mercado1900 M$ en 20052750 M$ en 2010