motivation for lecture cmos symboler cmos transistors. mos ... · pinch-off p v-n + n + v ds gs...
TRANSCRIPT
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Digital Integrated Circuits
Viktor Öwall
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Motivation for Lecture
• To see how standard gates are implemented with transistors?
• How does technology affect the performance, e.g. speed and power consumption?
• What has happened with technology scaling?
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
For digital design we use CMOS transistors.
p- N-Channel
Gate Drain Source
n+ n+
Solid State Physics V DS [V]
I D
V GS
I d
Electrical Characteristics
gmVgs goVgs Vds
drain
source
gate Small Signal Model (amplifier design)
GND
VDD
Digital – transistor as a switch
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
CMOS symboler
gate
drain
source
NMOS PMOS
Most common when digital design
The Bulk/Substrate is assumed to be connected to GND/VDD if nothing else specified.
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
p -
n + n +
Gate Drain Source
substrat
Courtesy of Intel
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
N-channel A channel when a positive gate-source voltage, VGS, larger than the threshold voltage is applied, VT, is applied appliceras.
MOS transistor N-channel
0 ( 2 2 )T T F SB FV V Vγ φ φ= + − + − −
p -
n + n +
Gate Drain Source
Gate-oxid (isolerande)
substrat
F Fermi Potentialφ =
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Depletion
p - Depletion
Region
n + n +
V GS >0
VGS > 0; e- charge is attracted
Source Drain Gate
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
A channel is created
p - Depletion
Region
n + n +
V GS >V T
N-kanal
VGS > 0; e- laddningar attraheras
VGS > VT, Strong inversion a channel
Source Drain Gate
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Linjära Regionen 0 < VDS < VGS-VT
e- (elektroner) from Source to Drain
p -
n + n +
V GS >V T
V DS <V GS -V T
I D
x
Source Drain Gate
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
ID as a function of VDS
V DS [V]
I D
V GS
V GS
V GS
Linear Region
Increasing VGS
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Pinch-off
p -
n + n +
V GS >V T
V DS =V GS -V T
I D
When VDS = VGS-VT No new charge to the channel
The current saturates
TGS VxVV >− )(Channel voltage
Source Drain Gate
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Slope due to velocity saturation in short channel devices
V DS [V]
I D V GS
V GS
V GS
Linear
Saturation
Pinch-off TGSDS VVV −=
ID as a function of VDS
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
ID as a function of VGS Linear Saturation
What is ID when VGS=0? Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
DrainSource Gate
CDB
n+n+
CG
CGDCGS
CSB
Xd
tox
Kapacitanser
Bulk Cap. Junction Cap. Overlap Cap.
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
NMOS transistor as a switch
V DS [V]
I D
V GS
V GS
V GS vin
vin=“low” a “open”
vin=“high” a “short”
Increasing VGS
G S
D
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
PMOS transistor as a switch
V DS [V]
I D
V GS
V GS
V GS
vin
VDD
G D
S
vin=“high” a “open”
vin=“low” a “short”
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
The CMOS Inverter
GND
VDD
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
GND
V DD
“high” in a NMOS “short” PMOS “open”
Out connected to GND a “low”
CMOS Inverter with transistorn as a switch
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
GND
V DD
I D
CMOS Inverter with transistorn as a switch
“high” in a NMOS “short” PMOS “open”
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
GND
V DD
“low” in a NMOS “open” PMOS “short”
Out connected to VDD a “high”
CMOS Inverter with transistorn as a switch
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
The CMOS Inverter
GND
VDD
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
CMOS Inverter
VOUT
VIN
Ideal ”Real”
”Vdd/2”
V OUT N Off P Lin
V IN
N Lin P Off
N Sat P Sat
N Sat P Lin
N Lin P Sat
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
P-Substrate
N-Well
N-Channel
P-Channel
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
V DD
A B
B
GND
A
A B OUT
0 1
1 1 1
0 0
0 OUT
Truth Table
Logic gates, NAND
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Logic gates, NAND V
DD
A B
B
GND
A
A B OUT
0 1
1 1 1
0 0
0 1 1 1 0 OUT
Sanningstabell
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
V DD
B
GND
A B OUT
0 1
1 1 1
0 0
0 1 1 1 0 OUT
Sanningstabell A
A
B
Logic gates, NAND
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
V DD
B
GND
A B OUT
0 1
1 1 1
0 0
0 1 1 1 0 OUT
Sanningstabell A
A
B
Logic gates, NAND
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
V DD
B
GND
A B OUT
0 1
1 1 1
0 0
0 1 1 1 0 OUT
Sanningstabell A
A
B
Logic gates, NAND
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
V DD
B
GND
A B OUT
0 1
1 1 1
0 0
0 1 1 1 0 OUT
Sanningstabell A
A
B
Logic gates, NAND
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Logic Gates, AND
A
GND
B
AND
VddVdd
NAND
PMOS
NMOS
GND
Vdd
&
US
A B NAND
0 1
1 1 1 0
0 0 1
1 1 0
NAND + Inverter a AND
Europe
V DD A B
B
NAND f
GND
AND f A
AND
0 0 0 1
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Two Input NAND/ AND
0.8 m
CMOS
NAND
Inverter
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Logic Function?
V DD
A
B
B
GND
A
A B OUT
OUT
Sanningstabell
0 1
1 1 1
0 0
0
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Logic Function: NOR
V DD
A
B
B
GND
A
A B OUT
OUT
Sanningstabell
0 1
1 1 1
0 0
0 0
0 0
1
≥ 1
US Europe
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
This is called Complementary Logic
V DD
A B
B
GND
A OUT Properties:
+ rail to rail swing , i.e.out = VDD or GND + ”no” static power, i.e. either PUN or PDN off - Many transistors
Pull up network
Pull down network
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Pseudo-NMOS Gates V
DD
B
GND
A OUT
Pull up network
Pull down network
Properties: + fewer transistors + in the eayrly years there was only NMOS - Static power consumption - Low input ”not 0”
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Pseudo-NMOS Gates V
DD
B
GND
A OUT
Pull up network
Pull down network
Properties: + fewer transistors - Static power consumption - Low input ”not 0”
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
More complex functions: an adder
i+1 b i+1 a i b i a
i cin
i+1 cout
msb b msb a
msb cin
msb cout
Memory digit
lsb = least signifcant bit
msb = most signifcant bit
sumi sumi+1 summsb
What is the maximum delay?
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
More complex functions: a carry ripple adder
i+1 b i+1 a i b i a
i cin
i+1 cout
msb b msb a
msb cin
msb cout
Memory digit
lsb = least signifcant bit
msb = most signifcant bit
sumi sumi+1 summsb
What is the maximum delay?
Max delay?
Max delay
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Full Adder in CMOS, 1 bit
C o
C B A B
A A
B B A
C
C C
C
C
A A
A A
B B
B
B
S
V DD
V DD V DD
V DD S C o
A and B: in C: memory in S: sum Co: memory out
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
14 bitars adderare
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Some properties:
• Speed • Power consumption
L is what we refer to as the process/technology/… node e.g. 45nm, 32nm,…
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Speed, simplified model
Reduced capacitance give faster circuits: smaller transistors a less capacitance
2L
)( TDD
DDpd VVk
VCT−⋅=
fkVCTDD
Lpd
1==
if TDD VV >>
Big approximation today!
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
The distance between VDD and VT has been reduced.
Shouri Chatterjee, Yannis Tsividis and Peter Kinget, Analog Circuit Design Techniques at 0.5V Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Speed, a simplified model
Reduced capacitance give faster circuits: smaller transistors, i.e. new technologies a less capacitance
Clock frequency is proportional to VDD. Why not increase it? Why not decrease VT?
2L
)( TDD
DDpd VVk
VCT−⋅=
fkVCTDD
Lpd
1==
if TDD VV >>
Big approximation today!
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Power consumption in CMOS
staticcircuit-shortdynamictotal PPPP ++=
Traditionally the most important!
Gaining more importance with
technology scaling
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Dynamic Power Consumption
Charge"
V"DD"
Discharge"
2dynamic L DDP f C V=
The VDD2 does that we especially want to lower VDD
a Slower circuits
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Short Circuit - Current Spikes
Current peak when both N- and PMOS are open
VDD-VT
VT
Ipeak
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Static Power: What is the current when input
are stable to high or low? Linear Saturation
V"DD"
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Static Power Consumption due to leakage current
Ileakage increases with decreasing VT Pstat =Ileakage VDD
Drain Leakage"I"leakage"
Subthreshold"Current"
V"DD"
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
VT Scaling: VT and IOFF Trade-off
As VT decreases, sub-threshold leakage increases
Performance vs Leakage:
VT a IOFF
High VT
VG VTH
ln(
I DS)
IOFFH
Low VT
VTL
IOFFL
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Trends in energy consumption
From upcoming book OptimizationDSP Architecture Design Essentials By Dejan Markovic (UCLA) and Robert W. Brodersen (UC Berkeley)
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Example from 65nm CMOS HVT SVT LVT Full Adder delay(ns) 0,26 0,15 0,11
leakage(mW) 1,30E-8 2,20E-7 1,88E-6
Nand2 delay(ns) 0,039 0,024 0,02
leakage(mW) 1,94E-9 3,30E-8 2,24E-7
HVT, SVT & LVT: High, standard and low VT Supply voltage 1V HVT around 450mV
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
So what do we do?
• High VDD needed for high speed a High Power consumption!
One possibility: parallel processing!
• Low VT needed for high speed a High leakage power!
Two possibilities: – Multiple VT – Find ways to reduce leakage, e.g. power gating
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
The end of ”some” scaling!
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Going Multicore, e.g. Intel SandyBridge!
• 32 nm – 64 bit • 4 995 000 000 Transistors • ~3.5 GHz • 216 mm2 (10x Pentium 4)
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
Going sub-threshold: long pursued in research. Now: Intel September 2011!
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
…and new technologies!
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!
You can learn more in ETIN20 Digital IC-design.
Next week:
Storage (registers and memories) Computational platforms
Design Methodologies