FG Integrierte Elektronische Systeme · High -Voltage Inverter for EL -Devices with Sensor Excitation Sep 2016 CAPSICUM * High Voltage –Light Emission (EL) Vout=±250V AC, ≤5kHz

Integrated ElectronicSystems Lab

July 2018 | TU Darmstadt | Integrated Electronic Systems Lab | Klaus Hofmann | 1

FG Integrierte ElektronischeSysteme

Prof. Dr.-Ing. Klaus Hofmann

FG Integrierte Elektronische Systeme

Technische Universität Darmstadt

IEEE Spectrum

Integrated ElectronicSystems LabJuly 2018 | TU Darmstadt | Integrated Electronic Systems Lab | 2

Profil FG IES und Zahlen� Aufgabe gemäß Widmung: “Forschung und Lehre für analoge, digitale

und mixed-signal Schaltungen und Systeme sowie dazu notwendigeCAD-Verfahren”

� Aktuell 10 Wimis

� 1 Gastprofessor (Prof. Abd el-Ghany, GUC, AvH Institutspartnerschaft)

� 2 ATMs, 1 Sekretärin

� 2017: 33 Abschlussarbeiten (Bachelor/Master thesis)

� Lehre (allgemein bzw. In DT und IMNT/SAE):� Elektronik (BSc): ~300 Tln., Elektronik-Praktikum: ~150 Tln

� Analoge Schaltungen (BSc): ~100 Tln

� Adv. Digital Int. Circuits (MSc): ~100 Tln

� CAD4SoC (MSc): ~70 Tln

� Circuit building blocks for comm. Systems (MSc): ~50 Tln

� Printed Electronics (zus. mit FB16): ~50 Tln

� Seminar Additive Manufacturing (zus. mit FB16+FB13): ab WiSe 18

� Full custom ASIC Praktikum (3bit DAC bis layout): ~30 Tln

� Semi custom ASIC Praktikum (Verilog+Synth 4stage pipelined uP bis schematic): ~30 Tln

� DfT-Seminar incl. Lab (Lehrauftrag): ~60 Tln

� Industrieelektronik (Lehrauftrag): ~20 Tln


Status: Long live Moore´s law!

� 2016 wurden ca. 700*1018 Transistoren gefertigt (700 Mrd Mrd)

� Intel fertigt 10nm 3rd Gen. FinFETs (100 MioT/mm2)

� Samsung 3D V-NAND 10nm Zelle


Source:Icinsights, eetimesAutomotive: $28 Mrd in 2016, 53% Wachstum gegenüber 2011

Neuer Megatrend: AI (Prozessoren + Memory)


Lebensabend von Moores law!


Transistoren (1000)

Power (W)

Taktrate (MHz)

Performance/Clock (ILP)

www.gotw.ca

1 Mrd Transistoren!


Neue Ansätze� Neue Informationsdarstellung, nach ITRS


Ladung

Nicht-Ladung

Si-FET Fin-FET

NW/CNT-FET

Graphene-FET

CMOS Erweiterung!

Spin-FET

TFET

QCA NEMS

Beyond CMOS!

AtomicSwitching

Mott-FET

RTD SET

Spin-Wave

Nano-magnet

DWall(FeMag)

Logic

BiSFET

Spin Logic

Beyond CMOS!

Basierend auf: An Chen, ITRS ERD, Mai 2015Ziel: Informationsverarbeitung, Logik!

CMOS Erweiterung!


Neue Ansätze (II)

• Funktionale Anreicherung:

• Komplexe, flexible Leiterplatten,+ additive Manufacturing


Forschungsgebiete

FachgebietIntegrierte Elektronische Systeme

Integrierte Schaltungen Elektronische Systeme

ASIC-Design für• Hohe Spannungen• Strahlenbelastete

Umgebungen• System-on-Chips

• Hohe Performance/ Geschwindigkeit

Entwurf von Schaltungen und

Konzepten für intelligente Sensorik (Industrie 4.0, IoT)ZUV und Verifikation von Bauteilen und

Systemen

Knoten an der TU Darmstadt, Zugriff auf Technologien und

EDA-Tools

[4]


Integrierter Schaltungsentwurf

July 2018 | TU Darmstadt | Integrated Electronic Systems Lab | 8

� Durch Zugriff auf faktisch alle verfügbaren Technologien viele Anwendungsgebiete:

� High-Speed Digital (neue Schaltungen und Systemkonzepte)

� Forschung: extrem niedrige Leistungsaufnahme, flexible Rekonfigurierbarkeit

� Präzise analoge Integrierte Elektronik

� Forschung: Digitally-assisted analog (Selbst-Kalibration zur Cancellation der Prozessvariationen, auch Verwendung als PUF (physic. Unclonable Function))

� Hochvolt Integrierte Schaltungen (120V, 350V, 700V)

� Forschung: Schaltungen selbst, Cointegration mit Sensorik, Lebensdauer/Reliability, Vollintegration aller Bauelemente

� HF-SoCs

� Forschung: HF-SoC für Kommunikationselektronik, EDA-Aspekte


Integrierter Schaltungsentwurf


� Forschungs-, Kooperations-ASICs:

2012: 120V CP 2013: 120V CP 2013: 1x120V D/A 2013: 90nm ∆Σ-SC 2014: 8*120V D/A

2014: EAP Driver > 500 V 1/2016: RF-Transceiver 12/2016: EL-Anst. & Sensorik9/2016: 32b-µC2014: Boost Converter > 600 V

5/2017 65nm All digital DLL 9/2017: EL-Anst. & -Sensorik5/2017 65nm Tracking ADC 12/2017: RF-Transceiver


Laufende Projekte (2018)


DFG

� Adapt-IO (Low-Power/High-Speed all digital DLL)� PARFAIT (Ambipolare DeFETs, Kooperation mit HLT)� OSAT (Neuartiger Tracking ADC)BMBF/BMWi� ELSE (Integrierte Elektrolumineszenzansteuerung, Kooperation mit IDD)� Hydro-Meter (Elektronik und Sensorik für Wasserstoffdurchflussmesser)� HRDCCT (Integrierter DC-Stromtransformator für Beschleuniger,

Kooperation mit GUC + GSI)AiF/AiF-ZIM� PQL2 (ZUV+Lebensd. von LED und Vorschaltgeräten, Kooperation mit LT)� FTTH-ASIC (Fiber-to-the-Home System-on-Chip)Industrie� Gree Electrical Appliances of Zhuhai, P.R. China (PUF, ADC)� Fa. N.N. (Intelligenter Antrieb, Industrie 4.0, Kooperation mit PMD)� Esters (uC-basierte low-power Elektronik)� Continental (L3-Kolleg)


Forschung zu „More Moore“


� Hintergrund: moderne „digitale“ ASICs für High-Speed-Anwendungen haben stets analoge Komponenten (z.B. Phaseninterpolatoren / Fine-DelayLines)

� Unterhalb 40nm „bizarre“ Größen- und Leistungsverhältnisse zwischen analogen und digitalen Blöcken (5% analoge Chipfläche braucht 30% der dyn. Verlustleistung)

� Grund: digitale Transistoren: minimale Abmessungen (z.B. 28nm Gatelänge), analoge Tr: 90-110nm im gleichen Prozess wg. Prozessvariationen + Eigenschaften

� IES-Projekte:

� All digital DLL

� Neuartiger Tracking-ADC

� Digitally-assisted ADCs (Selbstkalibrierende analoge Blöcke)

� Aus Kalibrierung ableitbare Sicherheitsmerkmale (PUFs)


DFG-Projekt „Adapt IO“


� Alle schnellen (> 1Gbit/s/pin) Kommunikationssysteme benötigen Clock<->Data Justierung (Taktgenerierung/-ableitung)

� SOTA: Feinjustierung mit analogen Mischschaltungen

� Unser Ansatz: Delay-Line mit paras. Kapazitäten, 6bit PDC, dig. Phaseninterpolator + Schleifenfilter; 2,5 GHz

� 862 fs Phase Jitter

� -110.7 dBc/Hz Phase Noise

� All digital (skaliert, niedr.

Verlustleistung)

• 2.5 GHz DLL using a 6 bit Phase-to-digital converter

• Quadrature phase output• 7 bit phase interpolator• UMC 65 nm LL CMOS• 0.0037 mm², 3.9 mW (DLL+PI)• Tapeout - April 2017

Low Power All-Digital DLL Based Multi-Phase Generator

� Derzeit ohne reg. Supply


DFG-Projekt „Adapt IO“


65nm UMC1,5mm Kantenlängedes Chips


Integrierte Schaltungen Sensorik


� ELSE - Elektroluminescence-Display in capacitive Sensorics (Partner: Firma Binder, Captron, Evobus, IDD)

� ASIC & System-architecture

12/2016: EL-Anst. & Sensorik

Diskreter Prototyp für Dauertests Integrierte Lösung (HV+Sensorik!)


Integrierte Schaltungen HV+Sensorik


EL-Ansteuerung

� 200Vp / 400Vpp

� Ohne merkliche Erwärmung im Zeitmultiplexing

5kHz, 2ms an / 8 ms aus� Dauerbetrieb möglich� Frequenzen ≤ 5kHz möglich


Integrierte Schaltungen HV+Sensorik


RA* Light Emission & Sensor Control

*Vin=5VDC, Vout=± 250VAC , ≤5kHz

* SpreadSpectrum, 9bit, 1-5MHz

* XFab, XDH10, 1µm SOI

* 5.865 x 6.570 mm²

High-Voltage Inverter for EL-Devices with Sensor Excitation

Sep 2016

CA

PS

ICU

M * High Voltage – Light Emission (EL)Vout=± 250VAC , ≤5kHz

* Low Voltage – Sensor ControlSpreadSpectrum, 9bit, 1-5MHz

* XFab, XDH10, 1µm SOI

* 2.910 x 3.435 mm²

Economic Mixed Power IC

Sep 2017


Anwendungsorientierte Forschung


� GSI (BMBF, TUD/GSI-Kooperation)

� Novel electronical systems for extreme fast measurements in rad-hard environments

� Novel beam transformer (NDCCT)

� Digital solution

� Rad-hard ASIC solution

� Bunch-to-Bucket Transfer SIS18->SIS100

� PQL2 (Performance-Quality-Label für LED Vorschaltgeräte)

� Forschung zu Ausfallursachen und

Alterung von LED +

LED-Vorschaltgeräten


Rekonf. CCII ∆Σ Modulator

� Rekonfigurierbarer ∆Σ Modulator auf Current-Conveyer (2nd gen) basis

� CCII haben konstruktionsbedingt weniger Probleme mit Stabilität als high-gain OTAs (da Verstärkung und Bandbreite unabhängig) – Offset und Linearitätsprobleme müssen kalibriert werden

� Forschungsarbeit: für viele Mobilfunkstandards (GSM, BT, GPS, UMTS, DVB-H) rekonfigurierbarer ∆Σ Modulator

� Details siehe separate Präsentation


Pegasus CCII based 2-2 Cascade

∆ΣModulator

fCLK upto 120 MHz, fin upto 4 MHz.

1V/90nm CMOS Process, 1.96 mm2

TO Apr 2013.


Ambipolare DG Transistoren


� Ambipolare Dual-Gate Transistoren

� Kooperation TU Darmstadt (Schwalke, Hofmann)+KIT (Becker)

� Ziel: Neue Architekturen, HAT/Cryo-Elektronik,

� Spezielle Implementierung ohne Dotierung ermöglicht HT bis 300°C

� Beitrag IES: StdZellen, Modellierung, Basisschaltungen


SmartTool (Industrie 4.0)


Olimex-Board als Prototyp,Test + Algorithmen Erster Entwurf

Versuchsanordnung mit äußerlich angebrachter Elektronik

Flexible Platine,3D-Druck des WKZ-Halters


SmartTool (Industrie 4.0)


8000 U/min!


Fiber-to-the-Home ASIC


� FTTH (Fiber to the Home) ASIC (Partner: DEV-Systemtechnik)

� ASIC Design of a complex Mixed-Signal/RF chip

Heute (Einschub)

Morgen (SFP+)


Fiber-to-the-Home ASIC


� 2 ASICs entworfen und gefertigt

• RF gain/power control – LNA, PA, Attenuators; Logarithmic power detector

Mixed-Signal ASIC Transceiver with Built-in Self-test for FTTH

Applications

• Laser-diode driver -- dig. bidirectional VCCS • Built-in self-test; Dig. controllable ring oscillator• IHP SiGe BiCMOS -- 5,07 mm2; Tapeout - Dec 2017

* RF signal processing- Amplifier; Gain control; Logarithmic detector

- 700 MHz to 2.3 GHz* LED driver - Bidirectional VCCS * IHP SiGe BiCMOS

- 130 nm; 5,1 mm2

* Tapeout - April 2015

Mixed-Signal ASIC Transceiver for FTTH Applications


Europractice

� FG IES ist Knoten der TU Darmstadt für alle FG

� Andere FG beziehen über uns CAD-Software

� CAD-Werkzeuge (sehr günstig!) + Fertigungsservices (MPW, miniASICs, günstig) verfügbar

� CAD environment:� Full custom & high speed digital: Cadence (stream 5+6)

� Semicustom: Synopsys, Mentor, Xilinx

� Viele Technologien installiert� IHP SG13S SiGe, UMC 90nm, GF 65nm, HV: X-Fab XDH10, XU035, XT035,

AMS035; Zugriff auf 46nm und 28nm


EquipmentSpecial Measurement & Assembly Equipment:

� Mixed-Signal Oscilloscopes up to 20 GHz BW

� Logic Analyzer w 64 inputs

� Network & Spectrum Analyzer

� Solartron Parameter Measurements (also High Voltage)

� Waferprober (2)

� Climate Chambers (2*400l, incl. humidity)

� Semiautomatical and Automatic Assembly for PCBs (SMD), Oven, solder-printing

� Stepper (automatical measurement)


Vielen Dank!

谢谢您!

2012: 120V CP 2013: 120V CP 2013: 1x120V D/A 2014: 8*120V D/A 2014: Boost Converter

Thank you!

2013: 90nm ∆Σ-SC

FG Integrierte Elektronische Systeme · High -Voltage Inverter for EL -Devices with Sensor Excitation Sep 2016 CAPSICUM * High Voltage –Light Emission (EL) Vout=±250V AC, ≤5kHz

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