Логический синтез вычислительных схем

Рассмотрим логический синтез (создание) вычислительных схем на примере одноразрядного двоичного сумматора (полусумматора), имеющего два входа (а и b) и два выхода (S и P) и выполняющего операцию сложения в соответствии с табл. 6.1 (подобные таблицы в алгебре логики называют таблицами истинности).

Таблица 6.1. Логические соотношения для синтеза полусумматора

f1(a, b) = S — значение цифры суммы в данном разряде;

f2(a, b) = P — цифра переноса в следующий (старший) разряд.

Логическая блок-схема устройства, реализующего полученную функцию, представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Логическая блок-схема полусумматора

На рис. 6.2 изображены логические блоки в соответствии с международным стандартом.

Рис. 6.2. Стандартные графические обозначения блоков

В ряде случаев перед построением логической блок-схемы устройства по логической функции последнюю, пользуясь соотношениями алгебры логики, следует преобразовать к более простому виду (минимизировать). Для логических выражений «ИЛИ», «И» и «НЕ» существуют типовые технические схемы, реализующие их на реле, электронных лампах, дискретных полупроводниковых элементах и интегральных схемах. В современных компьютерах применяются системы интегральных элементов, у которых с целью большей унификации в качестве базовой логической схемы используется всего одна из схем: «НЕ — И» (NAND, штрих Шеффера), «НЕ — ИЛИ» (NOR, стрелка Пирса), А ИНОГДА и «НЕ — И — ИЛИ» (NORAND).

Электронные технологии и элементы, на основе которых создавались ЭВМ, многократно изменялись. Машины 1-го поколения строились на электронных лампах, 2-го – на дискретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах – транзисторах), 3-го и последующих – на интегральных полупроводниковых схемах. Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, использовались такие системы элементов, как:

Наибольшее распространение в современных интегральных схемах получили транзисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ – транзисторно-транзисторно логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах. В этой системе обеспечивается полная однородность структуры микросхемы – они содержат только транзисторы, что облегчает технологию их изготовления.

Архитектура используемых в ЭВМ транзисторов также изменялась:

· в машинах второго поколения применялись биполярные германиевые и кремниевые pnp и npn транзисторы,

· в интегральных схемах применяются униполярные полевые МОП-транзисторы (МОП — металл-окисел-полупроводник, или MOS: Metal-Oxide-Semiconductor).

· затвор (аналог «базы» биполярных транзисторов),

Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния[13], управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в npn-транзисторах) или дырок (как в pnp-транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП транзисторы и называются полевыми.

Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, ибо механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке (рис. 6.3).

Изменялась и архитектура систем логических элементов. Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей:

· МОП с дополнительной симметрией (КМОП-транзисторы — К омплиментарная структура М еталл- О ксид- П олупроводник, CMOS — C omplimentary M etal O xide S emiconductor).

Транзисторы nМОП с каналом n-типа работают на основе электронной проводимости. Транзисторы pМОП с каналом p-типа, работают на основе дырочной проводимости. Быстродействие транзисторов несколько выше, чем pМОП, поскольку электроны более подвижны, чем дырки. Униполярный транзистор во включенном состоянии может проводить ток в любом направлении.В настоящее время массовое применение имеют КМОП-транзисторы. Симметрия создается в схемах путем совместного использования nМОП и pМОП-транзисторов.

В КМОП-схемах[14] транзисторы nМОП и pМОП по отношению к источнику питания обычно оказываются последовательно включенными, а по отношению к выходному сигналу – параллельно включенными. Поскольку затворы nМОП или pМОП транзисторов включены параллельно, всегда один из этих транзисторов оказывается включенным, а другой — выключенным, и энергопотребление и выходное сопротивление КМОП схемы будет малым (небольшой ток будет протекать только в переходных режимах транзисторов). Затвор транзистора электрически изолирован от истока и стока, управление осуществляется электростатическим полем, поэтому входное сопротивление у полевых транзисторов очень большое.

Это обстоятельство создает удобство соединений КМОП-схем между собой и обеспечивает устойчивость их работы. КМОП-схемы имеют меньшее энергопотребление, нежели биполярные транзисторы и другие типы полевых транзисторов, могут более плотно упаковываться; созданные на их основе интегральные схемы могут исполняться в более миниатюрном масштабе микро-технологий.

В настоящее время КМОП-транзисторы применяются и в системах оперативной памяти, и в системах флэш-памяти. В модулях оперативной памяти для хранения одного бита информации используется конденсатор — «паразитная» емкость, имеющаяся между электродами транзистора (рис. 6.4.). Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда – «0», отсутствие заряда – «1» (иногда наоборот).

Рис. 6.4 Элемент памяти на полевых транзисторах

· при записи информации — подачей потенциала на адресную шину 1 и записываемого бита по информационной шине 2,

· при считывании информации — подачей потенциала на адресную шину 3 и анализом изменения потенциала на выходной шине 4.

Для сохранения заряда емкости необходима постоянная его регенерация с периодом десятки миллисекунд. Поэтому такая память является энергозависимой и называется динамической. Схемы считывания сигнала (рис. 5.4) с шины 4 и схемы регенерации заряда емкости не показаны. Эти схемы могут быть различными и именно их организация определяет тип оперативной памяти: FPM DRAM, DRAM EDO, SDRAM, DR DRAM, DDR SDRAM и др.

В КМОП-транзисторах флэш-памяти для обеспечения энергонезависимости под основным затвором помещен еще один, так называемый плавающий затвор (рис. 6.5). Плавающий затвор имеет металлизацию (пленку из арсенида галлия, хрома, никеля, вольфрама и др.) для создания на границе раздела между металлом и полупроводником потенциального барьера Шотки[15], позволяющего хранить заряд конденсатора длительное время.

В появившихся в 2002 году новых видах памяти FeRAM и MRAM используются сверхтонкие магнитные пленки, наносимые на поверхность кремниевой подложки интегральной схемы. Поверх этой пленки, изготовленной из ферроникелиевого сплава - магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), наносятся еще электроды. Эти электроды создают при пропускании через них электрического тока магнитное поле, намагничивающеемагнитные домены (или иначе, нано- магниты размером примерно 0,1 мкм) этой пленки в нужном направлении для записи кодов «1» и «0» и для считывания информации (рис. 6.6).

Рис. 6.6 Кривая намагничивания материала с ППГ

Обозначения: H – напряженность магнитного поля, B – магнитная индукция материала, Hc – коэрцитивная сила материала, Bm – максимальная магнитная индукция, Br - остаточная магнитная индукция.

При подаче положительного импульса H, превышающего Hc, материал намагничивается до значения Bm, превышающего Br. После снятия внешнего поля H материал возвращается в состояние Br (запись 1). При подаче отрицательного импульса H, превышающего -Hc, материал намагничивается до значения -Bm. После снятия отрицательного импульса -H материал возвращается в состояние -Br (запись «0»). При считывании подается отрицательный импульс H, и скорость изменения магнитной индукции материала формирует электронный импульс, амплитуда напряжения которого у выхода равно:

При считывании «0» DB - минимально, и электрический импульс практически не возникает.

При считывании «1» DB =Br-(-Br) = 2Br, DB большое, формируется импульс, кодирующий 1.

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса используются во всех внешних запоминающих устройствах на магнитных и магнито-оптических дисках, магнитных лентах и в ОЗУ на магнитных сердечниках.

Изготавливаются интегральные схемы с МОП-транзисторами по планарной технологии: на поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защитный слой диэлектрика (обычно путем окисления поверхности для образования пленки из двуокиси кремния), в котором методами фотолитографии вскрывают микро-окна. Поверх слоя диэлектрика наносится металлическая пленка, имеющая в окнах контакт с поверхностью полупроводника. Через окна для создания электронно-дырочных переходов нужной (n или p) полярности проводится диффузия[16] материалов-доноров или акцепторов-электронов. Так как кремний — четырехвалентный химический элемент, то для образования p-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n-областей — пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор).

Весьма перспективна разработанная в университете Баффало технология использования «самоорганизующихся» химических веществ — материалов с микроскопическими структурами («квантовыми точками») при изготовлении полупроводниковых приборов. По данным исследователей, из названных веществ даже при комнатной температуре самопроизвольно происходит реакция, приводящая к созданию регулярных микроскопических структур с ячейками диаметром 0,04 мкм (механизм образования таких структур подобен образованию эмульсии в жидкости). Параметры транзисторов зависят от масштаба технологического процесса их изготовления (масштаба технологии), который непрерывно уменьшается. Еще несколько лет назад использовались 0,15 - 0,11 мкм технологии, а в 2007 году уже начали использоваться 0,045 мкм технологии.

В 2003 году концерн IBM предложил комбинированную микросхему, в которой на одну и ту же подложку «кремний на изоляторе» (SOI) помещают одновременно и биполярные, и полевые транзисторы. Такая схема обладает меньшим энергопотреблением, а комбинированные чипы по технологии 0,065 мкм стали выпускаться в 2005 году. Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, уменьшает паразитные индуктивности и емкости электродов и позволяет повысить рабочую частоту микросхемы. Но при этом миниатюризация транзисторов (в ряде случаев толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами атомов) приводит к росту паразитных токов утечки, что, в свою очередь, повышает энергопотребление и снижает устойчивость работы схемы. Снижение напряжения питания схемы уменьшает разогрев схем только частично, а мощность токов утечки может достигать сотен ватт.

Уменьшение токов утечки достигается следующими способами: использование медных проводников (вместо алюминиевых, имеющих большее удельное электрическое сопротивление); применение технологии напряженного (растянутого) кремния — strained Si (увеличение расстояния между атомами кристаллической решетки уменьшает удельное электрическое сопротивление).

В современных микросхемах толщина изолирующего слоя из диоксида кремния (SiO2) составляет всего 1,2 нанометра, то есть имеет толщину примерно 5-ти атомов, то ток утечки сравнительно велик и тепловыделение значительное (по оценкам экспертов почти 40% тепловыделения обусловлено утечками). Для улучшения электрических характеристик фирма Intel намерена заменить оксид кремния оксинитридом кремния (SiON) с другой диэлектрической проницаемостью. Новая технология (под кодовым номером 1266) с масштабом 0,045 мкм на базе 300 мм подложек, медных соединений и напряженного кремния намечено освоить в 2007 году.

В таблице 6.2 приведены кодовые номера технологических процессов и их некоторые характеристики.

Таблица 6.2 Кодовые номера технологических процессов изготовления транзисторов

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: