Mindennapi processzorunk rovat:
NMOS, HMOS, CMOS
Tegnap megígértem, hogy ma egy különleges irányba tekintünk ki. Nem tudom, mennyire vagytok tisztában a félvezetőgyártás technológiai alapjaival, de úgy gondolom, hogy akit elbűvölnek a szilíciumalapú „élőlények”, azt érdekelheti ez a téma is, legalább az ismeretterjesztés szintjén. Villamosmérnök társainktól elnézést kérek, nekik ez a téma valószínűleg a kisujjukban van.
Következzen hát egy áttekintés a címbeli gyártási eljárásokról.
NMOS (NMOS logika)
Az NMOS logika n-típusú fém-oxid-félvezetőből gyártott térvezérlésű tranzisztorokból (
Metal-
Oxide-
Semiconductor
Field
Effect
Transistor - MOSFET) építkezik, azokból állít össze logikai kapukat és más digitális áramköröket. Az NMOS tranzisztoroknak háromféle üzemmódja van: cut-off, trióda és telítéses (néha aktívnak is említik).
Az n-típusú MOSFET-eket úgynevezett "pull-down network"-be (PDN) szokták szervezni a logikai kapu kimenete és a tápfeszültség negatív pólusa között, míg a logikai kapu kimenete és a tápfeszültség pozitív pólusa közé ellenállás kerül. Az áramkör tervezése így olyan, hogy ha a kívánt kimenet alacsony, a PDN aktív lesz, és áram folyik a tápfesz negatív pólusa és a kimenet között.
Példaként lássunk egy NOR kaput NMOS logikával felépítve. Ha akár az A, akár a B bemenet magas (logikai 1 = Igaz), a megfelelő MOS tranzisztor nagyon csekély ellenállást mutat a kimenet és a feszültségforrás negatív sarka között, így a kimenet alacsony lesz (logikai 0, = Hamis). Ha mind az A, mind a B magas, mindkét tranzisztor vezet, ami még kisebb ellenállású utat jelent a föld irányába. Az egyetlen eset, amikor a kimenet magas, csak akkor állhat elő, ha mindkét tranzisztor alacsony, így kerülhet kielégítésre a NOR kapu igazságtáblázata:
A B A NOR B
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
Bár az NMOS logika tervezése és gyártása is egyszerű (a MOSFET ellenállásként működhet, és így az egész áramkör felépíthető N-MOSFET-ekből), de van számos komoly hiányossága. A legrosszabb az, hogy akkor is áramot fogyaszt, ha a PDN aktív, vagyis ha a kimenet alacsony. Ez statikus energiafogyasztáshoz vezet üresjáratok idején is.
Ezen túl az NMOS áramkörök alacsonyból magas állapotba történő átváltása lassú. Visszafelé történő váltásnál a tranzisztorok kis ellenállásúak, és a kapacitív töltés a kimeneten át nagyon gyorsan eltűnik. De a pozitív sarok és a kimenet közötti ellenállás sokkal magasabb, ezért az alacsony állapotból magasra történő váltás jóval több időt vesz igénybe. Kisebb ellenállás használata meggyorsítja az átállást, de megnöveli a statikus fogyasztást is.
További hátrány, hogy az aszimmetrikus bemeneti jelszintek az NMOS áramköröket érzékennyé teszi az elektromos zajjal szemben.
Ezek a hátrányok voltak az okai, amiért az egyébként egyszerű felépítésű NMOS logikát a CMOS logika mind a kis fogyasztást, mind a nagy sebességet igénylő feladatok esetében, leváltotta. Ez történt a mikroprocesszoroknál is a 80-as években.
HMOS
A HMOS a high-performance n-channel MOS (nagy teljesítményű NMOS) rövidítése. Továbbra is n-típusú fém-oxid-félvezetőkből készült térvezérlésű tranzisztorokat használ a logikai áramkörök és a többi digitális áramkör felépítéséhez. Nagyobb sebességet ért el, mint az alapjául szolgáló NMOS technológia, de ennek az ára a nagyobb fogyasztás volt. Elavult a CMOS bevezetésével.
CMOS
Na, kössétek föl a bugyit/gatyát, ez hosszú lesz, cserébe viszont egyáltalán nem könnyű!
Az integrált áramkörök legfontosabb osztályát a kiegészítő fém-oxid-félvezető (CMOS = Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technológiával gyártott eszközök képezik. A CMOS technológiát mikroprocesszorok, mikrokontrollerek, statikus RAM-ok és más digitális áramkörök gyártásánál egyaránt felhasználják, akárcsak analóg áramkörök széles skáláján, mint képszenzorok, adatkonverterek, nagy integráltságú telekommunikációs adó-vevők.
A CMOS-t néha kiegészítő-szimmetrikus fém-oxid-félvezetőnek is mondják Az elnevezés arra a tényre utal, hogy a tipikus digitális tervezési stílus kiegészítő és szimmetrikus párokban használ p-típusú és n-típusú MOSFET-eket a logikai funkciók megvalósítására.
Két nagyon fontos jó tulajdonsága van a CMOS eszközöknek: a nagy zajtűrés és az alacsony fogyasztás. Jelentős áramot csak akkor fogyasztanak a CMOS eszköz tranzisztorai, amikor éppen állapotot váltanak. Ez az oka annak, hogy a CMOS eszközök kisebb energiaigényűek, mint a korábbi formák, például a tranzisztor-tranzisztor logika (TTL), vagy az NMOS. A CMOS ezenkívül nagyobb tranzisztorsűrűséget tesz lehetővé, így kisebb területen több logikai funkció valósítható meg.
A "fém-oxid-félvezető" kifejezés a térvezérlésű tranzisztorok fizikai szerkezetére utal, ami szigetelőre helyezett fém kapuelektródból áll, a szigetelőréteg pedig félvezetőrétegen foglal helyet. A fém helyett a mostani kapuelektródok egészen a jelenkor 65 nanométeres technológiájú csomópontjaiig) szinte mindig más anyagból, poliszilikonból készülnek, de a MOS és CMOS kifejezéseket továbbra is használják az eredeti eljárás mostani leszármazottaira is. A fém kapuk a nagy k-jú dielektrikus anyagok eljövetelével visszatértek, amint azt az IBM és az Intel bejelentette a 45 nanométeres eljárás ismertetésekor.
Technikai részletek
A "CMOS" egyaránt utal a digitális áramkörök tervezési stílusára és a gyártási eljárások családjára, amivel a CMOS áramköröket az integrált áramkörökben (chipekben) előállítják. A CMOS chipek kevesebb energiát disszipálnak el és nagyobb sűrűségűek, mint más megvalósítások, miközben ugyanazt a funkcionalitást nyújtják. Ahogy ez az előnyük növekedett és egyre fontosabbá vált, a CMOS eljárások dominánssá váltak. Ma az integrált áramkörök túlnyomó részét CMOS eljárással állítják elő.
Struktúra
A CMOS logika a p-típusú és az n-típusú MOSFET-ek kombinációját használja a logikai kapuk és más digitális áramkörök létrehozására. A tipikus kereskedelmi forgalomban levő CMOS termék egy téglalap alakú területen létrehozott, mindkét típusú tranzisztorok millióiból áll. Ezeket az eszközöket chip-nek nevezik, de szakemberek sokszor a „die” (egyesszámban) vagy a „dice” (többesszámban) szót is használják.
A CMOS logikákban n-típusú MOSFET-ek pull-down network-öt (PDN) alkotnak a kimeneti csomópont és a tápellátás alacsony feszültségű vezetéke (Vss, gyakran ez a föld) között. Az NMOS logikák ellenállása helyett a CMOS logikai kapukban p-típusú MOSFET-ek pull-up network-öt alkotnak a kimenet és a magasabb feszültségű tápvezeték között (Vdd). A „pull-up” és a „pull-down” kifejezések arra a gondolatra utalnak, hogy a kimeneti csomópontot, amelynek van némi saját kapacitása, feltölti vagy kisüti a hozzákapcsolt pull-up és pull-down hálózat. A CMOS áramkör input-értékeinek beállításával az egyes tranzisztorok a pull-up vagy a pull-down hálózatban vezetővé válnak, és elektromos összeköttetés jön létre a kimenettől valamelyik tápvezetékhez. A digitális CMOS áramkör nem lehet egyidejűleg pull-up és pull-down állapotban, a két állapot közötti átkapcsolás időtartamát kivéve. Minden bemenet hozzá van kötve mindkét hálózattípushoz, kiegészítő módon, így ha egy n-típusú tranzisztor a pull-down vonalon kikapcsol, a p-típusú párja a pull-up vonalon bekapcsol, és fordítva.
A CMOS logika kevesebb energiát disszipál el, mint az NMOS logika, mert csak átkapcsoláskor fogyaszt (dinamikus energiafelhasználás). Egy modern, 90 nanométeres technológiájú ASIC-ban az átkapcsolás időtartama 120 pikoszekundum körül van, és minden tíz nanoszekundumban megtörténhet. Az NMOS logika akkor is disszipál, amikor kimenete alacsony (statikus energiafelhasználás), mert van egy vezető útvonal a Vdd-től a Vss felé az ellenállás vagy az n-típusú hálózaton keresztül.
A p-típusú MOSFET-ek kiegészítői az n-típusúaknak, mivel bekapcsolnak, ha a kapufeszültségük eléggé a forrásfeszültség alá csökken, és a feszültséget mindig a Vdd feszültségére húzzák fel.
Egy példa - a NAND-kapu
Ha mind az A, mind a B bemenet magas, akkor mindkét n-típusú tranzisztor (a diagram alsó felén) vezetni fognak, a p-típusúak (a kép felső fele) pedig nem, és egy vezetőképes útvonal jön létre a kimenet és a Vss között, vagyis a kimenet alacsonyra áll be. Ha akár az A, akár a B bemenet alacsony, az egyik n-típusú tranzisztor nem-vezetővé válik, míg az egyik p-típusú vezetni fog, és vezetőképes útvonal jön létre a Vdd és a kimenet között, így az magasra áll be.
További előnye a CMOS-nak az NMOS-szal szemben, hogy mind a magasról-alacsonyra történő, mind az alacsonyról-magasra történő átállások gyorsan mennek végbe, mert a pull-up tranzisztorok bekapcsolt állapotban alacsony ellenállásúak, szemben az NMOS logika fix ellenállásával. Még további előny, hogy a kimenet végiglendül az alacsony és a magas vezetékek közötti teljes feszültségen. Ez a z erős, közel szimmetrikus válasz tovább növeli a CMOS logika zajtűrését.
Egy példa - a NAND-kapu fizikai layout-ja
A fenti kép megmutatja, hogy miként néz ki a NAND logikai eszköz fizikai megvalósításának rajza úgy, ahogy majd gyártásra kerül. A fizikai layout perspektívája a rétegek együttesének madártávlati nézete. Az áramkört p-típusú szubsztrátra építik. A poliszilikon, diffúziós és n-well az alaprétegek, és ténylegesen a p-típusú szubsztrát árkaiba kerülnek. A kontaktusok áthatolnak egy, az alapréteg és az első fémréteg közötti szigetelőrétegen, kontaktust hozva létre.
A NAND bemenetei (a képen zölddel) poliszilikonból vannak. A CMOS tranzisztorok (eszközök) a poliszilikon és a diffúziós réteg közötti metszéspontok: N diffúziós réteg az N eszközhöz; P diffúziós réteg a P eszközhöz (a képen rózsaszínben és sárgában). A kimenet ("out") fémből van (ciánkék színnel ábrázolva). A fém és a poliszilikon vagy a diffúziós réteg közötti kapcsolatot a kontaktusok valósítják meg (fekete négyzetek).
Az N eszközöket p-típusú szubsztráton valósítják meg. A P eszközöket egy n-típusú üregben hozzák létre (n-well). A p-típusú szubsztrát kivezetése a Vss-hez, az n-típusú n-well kivezetése a Vdd-hez van kötve, hogy megelőzzék az ún. latchup-ot (ami egyfajta rövidzár).
Áram: kapcsolás és elszivárgás
A CMOS áramkörök energiát a különböző kapacitások feltöltésekor és kisütésekor disszipálnak el (főleg a kapu és vezetékek kapacitásai esetében), ahányszor csak átkapcsolnak. A mozgatott töltésmennyiség a kapacitás szorozva a feszültségváltozással. Ezt a kapcsolási frekvenciával megszorozva a felhasznált áram mennyisége kapható meg, és ezt ismét megszorozva a feszültséggel a karakterisztikus eldisszipált kapcsolási energia számítható ki: P = CV^2f.
Az energiafogyasztás eltérő formája vált észrevehetővé a 90-es években, amikor a vezetékek a chipen egymáshoz közelebb kerültek, és a hosszabb vezetékek teljes ellenállása a szélesség csökkenésével megnőtt. Az ilyen rezisztív vezetékek végén levő CMOS kapuknál lassú bemeneti átkapcsolásokat észleltek. Az ilyen átmenetek közepén mind az NMOS, mind a PMOS hálózatok részben vezetőképesek, és áram folyik közvetlenül a Vdd felől a Vss felé. Az ilyen módon elfolyó áram a crowbar (feszítővas) áram nevet kapta. Körültekintő tervezéssel, amely kerüli az ilyen hosszú és vékony vezetékek használatát, ez az effektus lecsökkenthető és a crowbar miatti veszteség szinte mindig sokkal alacsonyabb, mint az átkapcsolási energia.
Mind az NMOS, mind a PMOS tranzisztoroknak van egy küszöbfeszültsége a kaputól a forrásig, ami alatt az eszközön átfolyó áram exponenciálisan esik. Történetük elején a CMOS eszközök jóval nagyobb tápfeszültségeket igényeltek, mint ez a küszöb (a Vdd tipikusan 5 V körül volt, míg a küszöb kb. 700 mV). De az ellátó feszültség energiatakarékosságot célzó csökkentésével ez a különbség is eltűnőben van, ami a Vdd és a Vss közötti kapcsolatnak a CMOS eszközön keresztüli létrejötte gátja lehet.
Azért, hogy ezt kikerüljék, a gyártók olyan anyagokat kezdtek el használni a kapuban, amiknek alacsonyabb a küszöbfeszültsége. Így egy modern NMOS tranzisztornak a maga of 200 mV-os küszöbével jelentős küszöb alatti szivárgó árama van. Azok a törekvések, amelyek pl. a desktop processzorokban a gyártási eljárások optimalizálásával a működés közbeni energiakibocsátás csökkentését célozták, olyan mértékben lecsökkentették a küszöböt, hogy a szivárgó áram nagysága megközelíti az átkapcsolási áramét. Eredmény: az eszközök akkor is jelentős energiát sugároznak el hő forájában, amikor éppen nem is kapcsolnak át. A szivárgó áram csökkentése új anyagok és rendszertervek használatával kritikus a CMOS további skálázhatóságának fenntartása szempontjából. Az ipar a klasszikus szilícium-dioxidnál nagyobb dielektromos állandójú anyagok használatától remél megoldást. Hogy milyen sikerrel? Nos, ha kis szerencsénk van, és megéljük, néhány éven belül a saját szemünkkel is megláthatjuk, kezünkkel megtapogathatjuk a legújabb csodaprocesszorunkban, amit akkor fogunk a gépünkbe beszerelni.
(A Wikipédiából, a szabad lexikonból - fordítás © by Telcontar)
... a trip back in time is all I need ...
) van még ilyen magyarországon(?) akkor nem csináltok procikiállítást?
Jááájjj!!! MFM és stacker!
Súgó
A téma zárva.