Tài liệu Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC doc

Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 1 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng LỜI NÓI ĐẦU Mạch tích hợp đã và đang được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử được sử dụng ngày nay và đã tạo nên cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện tử. Sự phát triển của nó được thể hiện thông mức độ phức tạp, độ tích hợp. Cho đến ngày nay, công nghệ này được biết đến từ giai đoạn SSI (Small-Scale Integration) có khả năng tích hợp vài transistor cho đến ULSI (Ultra-Large Scale Integration) với khả năng tích hợp hơn 1 triệu transistor. Bộ nhớ bán dẫn cũng như các hệ thống trên chip (SoC) đều là những mạch tích hợp sử dụng công nghệ này. Tài liệu này nhằm giới thiệu tổng quan vể hai loại mạch tích hợp khá phổ biến và thông dụng này. Cả hai đều có ứng dụng rất nhiều trong thực tế, đặc biệt là trong máy tính. Tài liệu được xây dựng dựa trên sự hướng dẫn của công ty SDS Việt Nam. Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Khoa Điện tử - Viễn thông, công ty SDS nói chung và anh Phạm Lê Phương Duy nói riêng đã tạo điều cho em được thực tập thực tế và có cơ hội học hỏi nhiều. Sinh viên thực tập Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 2 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU _________________________________________________________ 1 PHẦN 1: BỘ NHỚ BÁN DẪN ____________________________________________ 4 CHƯƠNG 1 ____________________________________________________________ 5 TỔNG QUAN VỀ BỘ NHỚ BÁN DẪN _____________________________________ 5 1.1. Giới thiệu chung: ______________________________________________________ 5 1.2. Cấu trúc bộ nhớ phân cấp: ______________________________________________ 6 1.3. Phân loại bộ nhớ: ______________________________________________________ 7 CHƯƠNG 2 ____________________________________________________________ 9 TẾ BÀO LƯU TRỮ BỘ NHỚ _____________________________________________ 9 2.1. Tế bào bộ nhớ không bay hơi (Non – volatile Memory): ______________________ 9 2.1.1. ROM: ____________________________________________________________________ 9 2.1.2. EPROM và FLASH Memory: ________________________________________________ 10 2.2. Tế bào bộ nhớ bay hơi (Volatile Memory): ________________________________ 11 2.2.1. Tế bào dùng FlipFlop: ______________________________________________________ 11 2.2.2. Tế bào dùng cổng đảo: ______________________________________________________ 11 2.2.3. Tế bào dùng cổng NAND: ___________________________________________________ 13 CHƯƠNG 3 ___________________________________________________________ 14 BỘ GIẢI MÃ ĐỊA CHỈ _________________________________________________ 14 3.1. Giải mã hàng: ________________________________________________________ 14 3.2. Giải mã cột: _________________________________________________________ 17 3.2.1. Bộ giải mã cột dựa trên transistor dẫn 4 ngõ vào: _________________________________ 17 3.2.2. Bộ giải mã cột dựa trên cây 4  1: ____________________________________________ 18 Chương 4 ____________________________________________________________ 19 BỘ KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN (SENSE AMPLIFIER) _______________________ 19 4.1. Nguyên nhân sử dụng bộ khuếch đại cảm biến: ____________________________ 19 4.2. Một số loại khuếch đại cảm biến: ________________________________________ 20 PHẦN 2: QUI TRÌNH THIẾT KẾ SoC ____________________________________ 22 Chương 5 ____________________________________________________________ 23 GIỚI THIỆU VỀ ASIC _________________________________________________ 23 5.1. Giới thiệu chung: _____________________________________________________ 23 5.2. Các lựa chọn thực thi thiết kế: __________________________________________ 24 5.2.1. ASIC đặc chế hoàn toàn (Full custom ASIC): ____________________________________ 24 5.2.2. ASIC dựa trên các tế bào, các phần tử logic chuẩn (Celled-based ASIC): ______________ 24 5.2.3. ASIC dựa trên mảng logic (Array – based ASIC): ________________________________ 25 Chương 6 ____________________________________________________________ 26 TỔNG QUAN VỀ SYSTEM on CHIP (SoC) _________________________________ 26 6.1. Tổng quan về SoC: ___________________________________________________ 26 6.2. Lợi ích - thách thức và ứng dụng của SoC trong thực tế: ____________________ 27 Một số lợi ích của SoC: ____________________________________________________________ 27 Một số ứng dụng: _________________________________________________________________ 27 Thách thức:______________________________________________________________________ 27 Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 3 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Chương 7 ____________________________________________________________ 28 QUI TRÌNH THIẾT KẾ SoC ____________________________________________ 28 7.1. Thiết kế luận lý (front-end): ____________________________________________ 29 7.2. Thiết kế vật lý (Back-end): _____________________________________________ 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO _______________________________________________ 35 Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 4 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng PHẦN 1: BỘ NHỚ BÁN DẪN Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 5 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ NHỚ BÁN DẪN 1.1. Giới thiệu chung: Bộ nhớ bán dẫn được sử dụng làm bộ nhớ chính trong các máy tính nhờ vào khả năng đáp ứng tốc độ truy xuất dữ liệu của bộ xử lý trung tâm (CPU). Với tiến bộ của công nghệ chế tạo LSI và VLSI, những bộ nhớ bán dẫn với công nghệ chế tạo transistor lưỡng cực và MOS đã trở thành những bộ nhớ nhanh nhất hiện nay, đồng thời giá thành của nó ngày càng giảm. Về cấu tạo chung, bộ nhớ bán dẫn được cấu thành từ các tế bào nhớ (memory cell). Mỗi cell được gọi là một bit. Một nhóm các bit tạo thành một từ nhớ (word) dùng để biểu diễn các lệnh hay dữ liệu dưới dạng nhị phân. Như vậy bộ nhớ bán dẫn là mảng các word. Dung lượng tổng cộng của bộ nhớ bằng với số word nhân với số bit trên word. Mỗi word trong bộ nhớ bán dẫn đều được định một địa chỉ khác nhau nhằm vào mục đích truy cập đến nội dung của từng word. Tuy nhiên, do số lượng word trong một bộ nhớ bán dẫn là quá lớn nên người ta sẽ dùng nhiều phương pháp khác nhau để giảm thiểu số lượng đường tín hiệu trong thiết kế. Cụ thể, các khối giải mã địa chỉ (decoder) sẽ được sử dụng. Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 6 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Hình 1: Cấu trúc chung của bộ nhớ bán dẫn 1.2. Cấu trúc bộ nhớ phân cấp: Theo cách hiểu thông thường, bộ nhớ sẽ có cấu trúc gồm nhiều hàng. Mỗi hàng là một word. Trên mỗi word sẽ có nhiều bit. Như vậy, khi dung lượng bộ nhớ tăng lên thì chỉ có một chiều kích thước bộ nhớ được tăng vì chỉ có số word được tăng trong khi số bit trên mỗi word là cố định. Điều này gây ra khó khăn cho việc tích hợp bộ nhớ. Một bộ nhớ có hình dạng càng vuông sẽ càng tốt cho việc tích hợp bộ nhớ. Để giải quyết vấn đề này, một giải pháp được đưa ra là ghép khối và giải mã địa chỉ theo cả hàng và cột. Trong mỗi block như vậy sẽ có các đường local bitline. Các đường local của các block sẽ được nối ra global bitline. Với cách làm như vậy dây nối đi trong mỗi khối sẽ ngắn hơn (điều này giúp tránh được việc quá tải trên đường bitline). Thêm vào đó sẽ tiết kiệm được năng lượng do bởi mỗi lần giải mã địa chỉ, ta chỉ thao tác lên một block. Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 7 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Global amplifier/ driver Control circuitry Global data bus Block selector Block 0 Row address Column address Block address Block i Block P 2 1 I/ O Hình 2: Cấu trúc bộ nhớ phân cấp 1.3. Phân loại bộ nhớ: Volatile memory là bộ nhớ đòi hỏi phải có nguồn cấp để duy trì dữ liệu được lưu trong khi non-volatile memory thì không. SRAM (Static Random Access Memory): SRAM là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh, nó là một loại bộ nhớ bán dẫn. Từ “Static” (tĩnh) chỉ ra rằng bộ nhớ vẫn lưu giữ nội dung của nó khi nguồn vẫn còn hoạt động. DRAM (Dynamic Random Access Memory): là một loại bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lưu mỗi bit dữ liệu trong một tụ điện riêng biệt trên một mạch tích hợp. Vì các tụ điện bị rò điện tích nên thông tin sẽ bị mất dần trừ khi dữ liệu được nạp lại đều đặn. Đây là điểm khác biệt so với RAM tĩnh. Ưu điểm của DRAM là có cấu trúc đơn giản: chỉ cần một transistor và một tụ điện cho mỗi bit trong khi cần sáu Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 8 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng transistor đối với SRAM. CAM (Content-addressable memory): là một loại bộ nhớ đặc biệt được sử dụng cho các ứng dụng tìm kiếm có tốc độ cao. Nó còn được biết đến với các tên gọi như associative memory, associative storage, hay associative array. Không giống các bộ nhớ thông thường khác. Bộ nhớ CAM so sánh dữ liệu cần tìm ở ngõ vào với bảng dữ liệu được lưu trữ và trả về địa chỉ có dữ liệu khớp. Loại bộ nhớ này được dùng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ tìm kiếm cao. Mask Programmed ROM: đây là loại ROM được chế tạo để thực hiện một công việc cụ thể như bảng tính, bảng lượng giác, bảng logarit, … ngay sau khi xuất xưởng. Nói cách khác, các tế bào nhớ trong ma trận nhớ đã được tạo ra theo một chương trình xác định trước bằng phương pháp mặt nạ (đưa vào các linh kiện điện tử như diode, BJT hay MOSFET để nối từ đường từ qua đường bit nhằm tạo ra một giá trị bit và để trống cho giá trị bit còn lại). PROM (Programmable Read-only memory): bộ nhớ chỉ đọc lập trình được". PROM là vi mạch lập trình đầu tiên và đơn giản nhất trong nhóm các vi mạch bán dẫn lập trình được (programmable logic device, hay PLD). PROM chỉ lập trình được một lần duy nhất bằng phương pháp hàn cứng. PROM có số đầu vào hạn chế, thông thường đến 16 đầu vào, vì vậy chỉ thực hiện được những hàm đơn giản. EPROM (Erasable Programmable Read-only memory): là một loại chip nhớ có khả năng giữ lại dữ liệu của nó khi tắt nguồn (không bị bay hơi). Là một mảng các transitor cổng nổi được lập trình riêng biệt bằng thiết bị điện tử cấp điện thế cao hơn điện thế thường dùng trong mạch số. Một khi được lập trình, một EPROM chỉ có thể xoá bằng tia UV. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): có khả năng xoá được bằng phương pháp lập trình mà chúng không cần đến các thiết bị chuyên dụng như các thế hệ trước của nó. FLASH: Bộ nhớ flash là một loại bộ nhớ máy tính không khả biến có thể xóa và ghi lại bằng điện. Đây là công nghệ đã được sử dụng trong các thẻ nhớ, ổ USB flash để lưu trữ và truyền dữ liệu giữa các máy tính và các thiết bị kĩ thuật số khác. Không như EEPROM, nó được xóa và ghi lại theo khối gồm nhiều vị trí (ban đầu bộ nhớ flash chỉ có thể xóa toàn bộ). Bộ nhớ flash rẻ hơn nhiều so với EEPROM. Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 9 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng CHƯƠNG 2 TẾ BÀO LƯU TRỮ BỘ NHỚ 2.1. Tế bào bộ nhớ không bay hơi (Non – volatile Memory): 2.1.1. ROM: Hình 3: Tế bào bộ nhớ chỉ đọc (ROM) Bộ nhớ chỉ đọc, ROM, có thể lưu trữ dữ liệu bằng nhiều device khác nhau: diode, NMOS hoặc PMOS. Mỗi bit lưu trữ được đại diện bởi một device. Do đó, bộ nhớ ROM không cho phép ghi vào. Như hình vẽ ta thấy: Đối với tế bào lưu trữ dùng một diode : Khi điện thế đươc cấp vào đường Wordline (WL) hay cho phép truy cập thì diode dẫn, điện thế tại đường Bitline lúc này gần bằng với WL và có mức logic được hiểu là 1. Nói cách khác, dữ liệu được đọc ra tại BL là 1. Vậy muốn lưu trữ một bit 1 tại một cell bộ nhớ, ta cần 1 diode. Tương tự đối với tế bào ko có diode thì mưc logic của đương BL luôn là 0, nên khi WL mở (cho phép đọc dữ liệu từ cell) thì dữ liệu đọc được luôn là 0. Đối với tế bào lưu trữ dùng NMOS có cực thoát (Drain) nối VDD: tế bào lưu trữ mức logic 1 chứa một NMOS device. Cực nguồn của NMOS được nối với Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 10 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng đường BL. Khi WL = 1, NMOS dẫn. Điện thế tại cực nguồn và cổng gần như nhau và đều biểu diễn mức logic 1. Do đó, dữ liệu đọc ra từ đường BL là mức logic 1. Đối với tế bào ko chứa NMOS device, dữ liệu đọc ra là mức logic 0. Tương tự đối với tế bào bộ nhớ được lưu trữ bằng NMOS có cực nguồn nối GND. 2.1.2. EPROM và FLASH Memory: Tế bào trong loại bộ nhớ này sử dụng transistor cổng nổi để lưu trữ dữ liệu do bởi tính năng có thể đọc và ghi của nó. Hình 4: Mặt cắt và ký hiệu transistor cổng nổi. Ở chế độ lập trình (program) hay hoạt động ghi, cổng điều khiển (control gate) được phân cực ở 12V và cực thoát được phân cực ở 5V, cực nguồn được nối GND. Dưới những điều kiện đó, một điện trường rất mạnh được tạo ra làm cho electron chuyển từ kênh lên cực cổng nổi. Các electron bị bẫy này gây ra sự tăng điện thế ngưỡng của tế bào. Do đó, khi một hoạt động READ được diễn ra, tế bào này sẽ hoạt động ở trạng thái off, vì nó không thể dẫn dòng với điện thế ngưỡng cao như vậy. Nói cách khác, hoạt động WRITE dữ liệu tại một địa chỉ cho sẵn đem các tế bào từ trạng thái trung lập (trạng thái logic 1) sang trạng thái logic 0 (điện tích được bẫy vào cổng nổi). Hoạt động này tốn khoảng vài micro giây. Ở chế dộ xóa (erase): Đối với bộ nhớ FLASH, dữ liệu có thể được xóa bằng điện. Trong bộ nhớ EPROM, vùng trống của cổng nổi được tạo ra bằng cách phơi bộ nhớ dưới tia UV. Hoạt động này đòi hỏi sự xóa từ một thiết bị trên bo chủ. [...]... nhanh chóng buộc ngõ ra tới điểm hoạt động ổn định Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 22 PHẦN 2: QUI TRÌNH THIẾT KẾ SoC Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 23 Chương 5 GIỚI THIỆU VỀ ASIC 5.1 Giới thiệu chung: ASIC, application-specific integrated... Mật độ cao hơn và tần số cao  Đòi hỏi tiêu thụ công suất thấp  Khả năng kiểm tra được Nhiều yêu cầu kiểm ra khác nhau được đòi hỏi  Độ phức tạp của thiết kế  Việc tái sử dụng IP Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 28 Chương 7 QUI TRÌNH THIẾT KẾ SoC Cũng giống như qui trình thiết kế ASIC, qui trình thiết kế SoC bao gồm... thiết kế chung của ASIC Qui trình thiết kế gồm 2 giai đoạn chính:  Thiết kế luận lý (Logical design – front-end design)  Thiết kế vật lý (Physical design – back-end design) Trong lưu đồ trên, hai khâu đầu là thiết kế logic; hai khâu sau là thiết kế vật lý Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 24 5.2 Các lựa chọn thực thi thiết. .. đoạn thiết kế vật lý Giai đoạn thiết kế vật lý có đầu vào là file netlist từ giai đoạn trước và mục đích cuối cùng là tạo ra được chip Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 29 7.1 Thiết kế luận lý (front-end): Giai đoạn thiết kế luận lý được chia thành ba công đoạn nhở: thiết kế kiến trúc hệ thống, viết code RTL và mô phỏng và. .. Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 34 dạng file gds2 Nếu có lỗi, kiểm tra lại việc đặt các Cell và kết nối dây Tape-out: Kiểm tra lại tất cả các báo cáo sau quá trình Place and Route trước khi đưa đi sản xuất Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 SDS lectures: ASIC, Semiconductor Memory, SoC Flow... (tương ứng với dữ liệu lưu trữ trong nút a) và tại bitline b = 1 (tương ứng với điện thế lưu tại nút a ) Quá trình ghi vào tế bào SRAM: Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Hình 8: Trang 13 Mô tả hoạt động ghi trong bộ nhớ SRAM – Giả sử ban đầu dữ liệu lưu trữ là 0 tại a và 1 tại a – Ta cần ghi dữ liệu ngược lại vào tế bào lưu trữ... NAND phụ thuộc vào chân còn lại Điều này có nghĩa dữ liệu được lưu trong khối keeper trước đó Khi word line và bit line được chọn thì sẽ có dữ liệu 0 hoặc 1 đưa đến hai chân bit và bitz để đọc dữ liệu ra ngoài hoặc dữ liệu được đưa vào để ghi vào khối keeper Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 14 CHƯƠNG 3 BỘ GIẢI MÃ ĐỊA... cầu và là một IC phức tạp Nó tích hợp các yếu tố chức năng từ các sản phẩm cuối cùng, hoàn chỉnh vào 1 chip đơn Hình 22: Mô hình một hệ thống trên chip SoC Về cơ bản, một thiết kế SoC bao gồm các thành phần:  Vi xử lý lập trình được  Bộ nhớ on - chip  Các đơn vị chức năng gia tốc (DSP) Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang... tạo nên trong thiết kế những cấu trúc dùng riêng cho việc kiểm tra lỗi Silicon Thiết kế sau khi được Synthesis phải đảm bảo đúng về mặt chức năng, thỏa Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng Tổng Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 32 mãn các thông số vật lý và phải hoạt động ở một tốc độ nhất định, đây chính là tốc độ yêu cầu của thiết kế Hình 28: Quá trình so sánh... Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 19 Chương 4 BỘ KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN (SENSE AMPLIFIER) 4.1 Nguyên nhân sử dụng bộ khuếch đại cảm biến: Bộ khuếch đại cảm biến là một trong những mạch khó chịu nhất trong bộ nhớ bán dẫn Hiệu suất của chúng ảnh hưởng mạnh mẽ lên cả thời gian truy suất bộ nhớ và tổng công suất tiêu tán trong khi các IC ngày nay đòi hỏi các bộ nhớ bán dẫn cần phải tăng . Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 4 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng PHẦN 1: BỘ NHỚ BÁN DẪN Tổng Quan Về Bộ. Quan Về Bộ Nhớ Bán Dẫn và Qui Trình Thiết Kế SoC Trang 5 Người hướng dẫn: Phạm Lê Phương Duy SVTH: Trần Bảo Đồng CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ NHỚ BÁN DẪN 1.1.