Τίτλος Μαθήματος Εισαγωγή σε VLSI
Κωδικός Μαθήματος 321-8752
Εξάμηνο 8
ECTS 5
Ώρες (Θεωρία) 3
Ώρες (Εργαστηρίο) 2
Διδάσκοντας Καλλίγερος Εμμανουήλ

Ύλη μαθήματος

Εισαγωγή: MOS τρανζίστορ, CMOS λογική, βασικές πύλες και στοιχεία μνήμης, κατασκευή CMOS κυκλωμάτων, σχεδίαση σε επίπεδο layout. Θεωρία των MOS τρανζίστορ: ιδανικές I-V χαρακτηριστικές, C-V χαρακτηριστικές, μη ιδανικά I-V φαινόμενα, DC χαρακτηριστικές μεταφοράς. Εκτίμηση της καθυστέρησης ενός κυκλώματος: το μοντέλο καθυστέρησης RC, το γραμμικό μοντέλο καθυστέρησης – η τεχνική του Logical Effort (για ένα επίπεδο ενός κυκλώματος αλλά και για μονοπάτια), προσδιορισμός του μεγέθους των τρανζίστορ (transistor sizing). Κατανάλωση ισχύος: δυναμική κατανάλωση, στατική κατανάλωση, βελτιστοποίηση ενέργειας-καθυστέρησης, σχεδίαση κυκλωμάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Γραμμές διασύνδεσης: γεωμετρία, επίπεδα μετάλλου, μοντελοποίηση, καθυστέρηση, κατανάλωση ισχύος, θόρυβος, αξιόπιστη σχεδίαση των γραμμών διασύνδεσης. Αποκλίσεις λόγω κατασκευής και περιβάλλοντος. Κλιμάκωση. Θέματα σχεδίασης συνδυαστικών κυκλωμάτων: οικογένειες κυκλωμάτων, πιθανά προβλήματα που προκύπτουν κατά τη σχεδίαση. Θέματα σχεδίασης ακολουθιακών κυκλωμάτων: σχεδίαση μανδαλωτών (latches) και flip-flop, περιορισμοί μέγιστης καθυστέρησης, περιορισμοί ελάχιστης καθυστέρησης, δανεισμός χρόνου (time borrowing), clock skew. Μνήμες ημιαγωγών.

Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα

Οι φοιτητές που ολοκληρώνουν επιτυχώς το μάθημα θα έχουν επιδείξει:
1. Ικανότητα να σχεδιάζουν στατική συνδυαστική και ακολουθιακή λογική τεχνολογίας CMOS τόσο σε επίπεδο τρανζίστορ, όσο και σε επίπεδο φυσικού σχεδιασμού (layout).
2. Ικανότητα να περιγράφουν τα γενικά βήματα κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS.
3. Ικανότητα να κατανοούν την ακριβή (μη ιδανική) συμπεριφορά των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου MOS.
4. Ικανότητα να υπολογίζουν και να βελτιστοποιούν την καθυστέρηση συνδυαστικών κυκλωμάτων, χρησιμοποιώντας RC μοντέλα καθυστέρησης και την τεχνική του logical effort.
5. Ικανότητα να εκτιμούν και να βελτιστοποιούν την καθυστέρηση και την επίδραση του θορύβου σε γραμμές διασύνδεσης.
6. Ικανότητα προσδιορισμού των διαφόρων ειδών κατανάλωσης ισχύος σε VLSI κυκλώματα, καθώς και μεθόδων για τη μείωσή της.
7. Ικανότητα σχεδιασμού για υψηλότερες επιδόσεις ή μικρότερη επιφάνεια χρησιμοποιώντας διάφορες οικογένειες κυκλωμάτων.
8. Ικανότητα να προσδιορίζουν και να αποφεύγουν τα πιο συχνά σχεδιαστικά σφάλματα σε κυκλώματα CMOS.
9. Ικανότητα να προσδιορίζουν και να συγκρίνουν τα υπέρ και τα κατά των διάφορων ακολουθιακών στοιχείων όπως flip-flop, μανδαλωτών και μανδαλωτών με μικρό παλμό (pulsed latches).
10. Ικανότητα να κατανοούν και να υπολογίζουν τους περιορισμούς μέγιστης καθυστέρησης, ελάχιστης καθυστέρησης καθώς και το δανεισμό χρόνου (time borrowing) για ακολουθιακά κυκλώματα που υλοποιούνται με οποιοδήποτε από τα ακολουθιακά στοιχεία που αναφέρθηκαν παραπάνω.
11. Ικανότητα να περιγράφουν τα αίτια και τα αποτελέσματα του φαινομένου του clock skew.
12. Ικανότητα να σχεδιάζουν ολοκληρωμένα κυκλώματα και να αξιολογούν τις επιδόσεις τους με χρήση εργαλείων CAD (Computer Aided Design).
13. Ικανότητα να περιγράφουν τη δομή και τη λειτουργία μνημών ημιαγωγών.

Προαπαιτούμενα

Δεν απαιτούνται.

Εγχειρίδια του μαθήματος

  1. Σχεδίαση Ολοκληρωμένων Συστημάτων CMOS VLSI, Neil H. E. Weste, David M. Harris, 4η έκδοση.
  2. Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα: Μια Σχεδιαστική Προσέγγιση, Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic, 2η έκδοση.
  3. Ανάλυση και Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων CMOS, Sung-Mo Kang, Yusuf Leblebici, 3η έκδοση.

Συμπληρωματική βιβλιογραφία

  • IEEE Transactions on VLSI Systems
  • IEEE Transactions on Circuits and Systems I
  • IEEE Transactions on Circuits and Systems II

Διδακτικές και μαθησιακές μέθοδοι

Διαλέξεις, Φροντιστηριακές ώρες που περιλαμβάνουν επίλυση ασκήσεων με υποδειγματικό τρόπο, Ασκήσεις για το σπίτι, Εργασία

Δραστηριότητα Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου
Διαλέξεις 39 ώρες
Φροντιστηριακές ώρες 26 ώρες
Εργαστηριακές ώρες 
26 ώρες
Εργασία 16 ώρες
Προσωπική μελέτη 15 ώρες
Τελική εξέταση 3 ώρες
Σύνολο Μαθήματος 125 ώρες (5 ECTS)

 

Μέθοδοι αξιολόγησης / βαθμολόγησης

Ασκήσεις για το σπίτι (30%), Εργασία (30%), Γραπτή εξέταση (40%)

Γλώσσα διδασκαλίας

Ελληνικά (Αγγλικά αν υπάρχουν φοιτητές/φοιτήτριες ERASMUS)

Τρόπος παράδοσης μαθήματος

Φυσική παρουσία