1 Einleitung
1.1 Lernziele des Moduls
Einblicke in mikroelektronische Systeme
Analyse und Funktion von Halbleiterbauelementen
- Halbleiterphysik
- Modellbildung
- Netzwerkanalyse/-synthese
Anwendung von SPICE in der Schaltunganalyse
- Spezifikation
- Partitionierung
- Design
Einsatz von Entwicklungsboards, Embedded Systems / System-on-Chip (SoC)
- STEMlab von Red Pitaya
1.2 Wissenschaftliches Rechnen
1.3 Schaltungsentwurf (EDA Tools)
- PCB / System Design
- IC / Silicon Design
1.4 OS-Tools
1.5 Code Editoren
1.6 Data Science
Dateisystem: Dateien- und Ordnerstruktur
Tabellenformate: Comma/Tab-Separated-Values (CSV/TSV), Spreadsheet (.xlsx, .ods)
Spezielle Formate, z.B. MATLAB mat, HDF5
Embedded Datenbanken
1.7 Publish Computational Content
1.8 Schreibst Du noch oder TeXst Du schon?
1.9 LaTeX Editoren
- IDE’s
- Kollaborative Frameworks
1.10 Literaturverwaltung und LaTeX
1.11 Experimentelle Arbeit - Entwurf elektronischer Systeme
Analyse und Synthese von elektronischen Bauelementen und Systemen mit
Modellbildung auf Systemebene / Verhaltensmodellierung
Simulation auf Schaltungsebene / SPICE
Charakterisierung auf Hardwareebene mit
Technische Dokumentation mit quarto
1.12 Analyse vs. Design
Entgegen populärwissenschaftlicher Meinungen ist Schaltungsanalyse und Schaltungsentwurf keine “Schwarze Magie”
Schaltungsanalyse
- ist die Fähigkeit, Schaltungen in handhabbare Teile zu zerlegen
- basierend auf einem einfachen, aber hinreichend genauen Modell
- “Just-in-time” Modellierung – verwende kein komplexes Modell, so lange es nicht benötigt wird …
- eine Schaltung \(\Rightarrow\) eine Lösung
Schaltungsentwurf
- ist die Fähigkeit der Schaltungssynthese auf Basis von Erfahrung und intensiver Analyse
- eine Spezifikation \(\Rightarrow\) viele Lösungen
- Entwurfspraktiken werden am besten durch’s “Selbermachen” ausgebildet – daher ein Entwurfsprojekt …
1.13 Es war einmal …
1.14 Damals und heute
1.15 Packungsdichten
1.16 Moore’sches Gesetz
1.17 Chip Manufacturing - How are Microchips made? (Infineon, Dresden)
1.18 FinFET (Intel)
1.19 TSMC Fab (Next Gen 7/5 nm)
1.20 Reiseaussichten
Dies ist der Beginn eines Prozesses,
besser noch, eines Abenteuers.
1.21 Reiseziele
Mehr über Signale wissen, die in elektronischen Systemen verarbeitet werden.
Schaltungsdiagramme lesen können.
Wissen über grundlegende Blöcke eines Systems aneignen.
Wissen, wie Transistoren arbeiten und in modernen integrierten Technologien hergestellt werden.
Eigenarten der Modellierung mikroelektronischer Bauelemente und der physikalischen und chemischen Prinzipien im Herstellungsprozess kennenlernen.
1.22 Reisebedingungen
Anwendung Ihres Werkzeugkastens. * Grundlagen der Elektrotechnik/Physik
Elektromagnetische Wellen
Angewandte Mathematik und Systemtheorie
Trainingswille
Pioniergeist
Spa{}
Schnallen Sie sich an, die Reise beginnt …
1.23 Systemhierarchie
1.24 System Assembly
Entnommen den Vorlesungsfolien von Maloberti (2011).
1.25 Schnittstellen zur Aussenwelt
Entnommen den Vorlesungsfolien von Maloberti (2011).
1.26 Meeting mit einem System
Entnommen den Vorlesungsfolien von Maloberti (2011).
1.27 System in a Package (SiP)
Entnommen den Vorlesungsfolien von Maloberti (2011).
1.28 Backend Phasen
Packaging
Zuverlässigkeit = Qualität auf Zeit
Testing auf Wafer Level, known good die (KGD)
Burn-in und Accelerated Aging (thermischer Stress, Arrhenius Gesetz)
Automatic Test Equipment (ATE)
- System Probe
- Interconnect Test
- Build-in Self-Test (BIST)
Statistische Datenanalyse und Yield Prognosen
Ausfallrate FIT (failure in time)
Badewannenkurve
1.29 Sie werden Experte
Leistungsmerkmale.
Hintergrundwissen
- Systemverständnis, Architektur, Herstellungsverfahren, Implementation
Unterbewusste Kompetenz
- Abgespeicherte Erfahrungen aus Erfolgsgeschichten und Misserfolgen
Spezialwissen
- Berufsspezifisches Wissen
Teamwork Haltung
- Kommunikationsfähigkeit, Berichtswesen und technische Präsentation
Kreativität
Tool-Kenntnisse
1.30 Evolution von Produkten
Angetrieben durch Technologieverbesserung
- Kosten (größere Chips, geringere Größe der Merkmale, bessere Ausbeute)
- Leistung (neue Bauteile, höhere Geschwindigkeit, weniger Stromverbrauch)
Angetrieben durch Verbesserung der Entwurfsmethodik
- Architektur (Leistung, Funktionen)
- CAD (Entwicklungskosten, Time-to-Market)
Komplexität der Designs verdoppelt sich jedes Jahr (Moore’s Gesetz)
Rolle von CAD
- Verbesserung der Produktivität von Konstruktionsprozessen
- Reduzierung der Komplexität für den Konstrukteur
- Sicherstellung des ordnungsgemäßen Betriebs der Geräte
1.31 EDA Kompetenz
- EDA-Anbieter (Tool-Entwickler)
- Identifikation von Entwurfsaufgaben, Bedarf an Werkzeugen
- Entwicklung von Strategien und Algorithmen
- Implementierung von Software-Werkzeugen
- Verifikation der Stabilität und Funktionalität der Software-Tools
- IC-Hersteller
- Entscheidungsplanung, welches Tool die Produktivität steigern könnte
- EDA-Tool-Manager, Installation und Wartung
- Experten für Softwareeinsatz, Anwendung in Produktdesign und -entwicklung
- Dozenten und Studenten
- Jobchancen
- Notwendigkeit, auf dem Laufenden zu bleiben
1.32 Design-/Entwurfsmethodik
- Full Custom - vollständig manuell: ASIC
- Überwiegend analoge Schaltungen
- Einfache digitale Gatter
- Volle Kontrolle, aber lange Entwicklungszeit (bis zu Jahren)
- Semi-custom: ASIC-Fertigung mit Verwendung von vorgefertigten Teilen
- Standardzellen, Makrozellen, IP’s
- Wiederverwendung von vordefinierten Blöcken oder Maskensätzen
- Eingeschränkte Kontrolle/Flexibilität, aber kürzere Entwicklungszeit (bis zu Wochen)
- Vollständig automatisiert: Keine Fertigung, reprogrammierbare ASICs
- FPGA, PLA
- Ausschließlich digitale Schaltungen
- Schnelles Prototyping