ITALIANO

Il processo di fabbricazione CMOS, Layout dei circuiti digitali, I dispositivi MOSFET , L’invertitore CMOS, Porte logiche combinatorie CMOS, Circuiti logici sequenziali, Interconnessioni e parassiti, Memorie, Sommatori, Programmazione di FPGA - elementi di VHDL.

Neil H.E. Weste, David M. Harris, «CMOS VLSI design, a circuits and systems perspective» (Addison-Wesley, 4° edition);
Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic, “Digital integrated circuits – a design perspective” (Prentice Hall, 2° edition)

ll corso approfondisce i concetti di base già trattati nel corso di Fondamenti di Elettronica Digitale e analizza in dettaglio i blocchi fondamentali presenti nei sistemi digitali integrati.
Le principali conoscenze acquisite riguarderanno le tecniche di progetto e analisi dei circuiti e sistemi digitali integrati con attenzione ai dispositivi a basso consumo di energia. In particolare verranno analizzati:

•funzionamento e dimensionamento dei blocchi combinatori, statici e dinamici;
•funzionamento e dimensionamento di circuiti sequenziali, statici e dinamici;
•temporizzazione dei circuiti elettronici: distribuzione del segnale di sincronismo e deviazioni rispetto alle attese;
•funzionamento dei principali blocchi matematici: sommatori;
• memorie volatili e non volatili Flash: funzionamento delle memorie NOR, NAND, NAND multilivello;
• dispositivi logici programmabili – elementi di FPGA e VHDL.

Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) riguarderanno l’analisi e la progettazione di sistemi digitali utilizzando componenti dedicati. In particolare:
•identificare i circuiti combinatori e sequenziali più idonei per il progetto di uno specifico sistema elettronico;
•identificare i blocchi matematici più idonei per il progetto di uno specifico sistema elettronico;
•comprendere i problemi di temporizzazione che possono evidenziarsi durante il progetto di un sistema elettronico;
•analizzare la relazione prestazione/affidabilità delle memorie volatili e non volatili;
•realizzare semplici sistemi digitali attraverso la programmazione in VHDL di dispositivi FPGA.

Per seguire il corso è necessario avere piena conoscenza delle basi di Elettronica Digitale.

Lezioni frontali ed esercitazioni al calcolatore.

Esame orale e discussione elaborato su progetto digitale a scelta dello studente

Durante il corso vengono utilizzati i seguenti applicativi software:
- Electric VLSI
- Quartus II
- ModelSim Altera

Processi di fabbricazione dei circuiti integrati – Legge di Moore – Fotolitografia - Maschere
Dispositivi MOSFET – caratteristiche statiche e dinamiche – capacità parassite – effetti di canale corto – evoluzione del dispositivo (FinFET e FDSOI-CMOS)
Logiche statiche CMOS - Velocità e consumo delle logiche statiche - Concetto di segnale critico - Switching activity e statistica dei segnali - Correlazione tra i segnali - Logiche a rapporto - Logiche a pass transistor e transfer gate - Logiche dinamiche - Velocità e consumo delle logiche dinamiche - Perdite di carica - Connessione di gate dinamici - Logiche Domino - Andamenti futuri

Circuiti logici sequenziali - Metrica nei circuiti sequenziali - Elementi di memoria statica e dinamica - Latch e registri statici - Problematiche nei circuiti statici - Latch e registri dinamici - Problematiche nei circuiti dinamici - Altri circuiti sequenziali - Pipeline - Considerazioni generali sul clock

Data path - Schema generale di un microprocessore - Blocchi aritmetici - Sommatori - Problematiche nei diversi tipi di sommatore - Calcolo del ritardo in un sommatore - Tecniche di progetto per la riduzione del consumo di potenza - Compromessi di progetto

Memorie a semiconduttore - Architettura delle memorie - Circuiti di decodifica - Celle volatili e nonvolatili - Memorie FLASH NOR e NAND - Differenze tra memorie Flash NOR/NAND – Architettura delle NOR Flash -Programmazione, Cancellazione e lettura nelle NOR. Architetture delle NAND FLASH. NAND multilivello - Codifica dei dati -

Dispositivi logici programmabili
Flusso di progetto su FPGA – timing analysis – definizione dei vincoli – simulazione RTL e simulazione gate-level - elementi di VHDL

Italian

CMOS technology - layout design of digital circuits - the MOSFET device - the CMOS inverter - CMOS complex gates - Sequential logical circuits - Interconnections and parasitics - Memories - Adders - FPGA programming - VHDL.

Neil H.E. Weste, David M. Harris, «CMOS VLSI design, a circuits and systems perspective» (Addison-Wesley, 4° edition);
Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic, “Digital integrated circuits – a design perspective” (Prentice Hall, 2° edition)

The course explores the basic concepts already discussed in the course “Fondamenti di Elettronica Digitale”, and analyses in detail the fundamental blocks of integrated digital systems.
The main knowledge acquired will concern the design and analysis techniques of integrated circuits and digital systems with attention to low-power devices. In particular, we will analyze:

• operation and sizing of combinatorial, static and dynamic blocks;
• operation and sizing of sequential, static and dynamic circuits;
• timing of electronic circuits: synchronism signal distribution and deviations from expectations;
• operation of the fundamental mathematical blocks: adders;
• volatile and non-volatile memories Flash: operation of multi-level NOR, NAND, NAND memories;
• programmable logic devices - elements of FPGA and VHDL.

The main skills (i.e. the ability to apply the acquired knowledge) will concern the analysis and design of digital systems using dedicated components. In particular:
• identify the most suitable combinatorial and sequential circuits for the design of a specific electronic system;
• identify the most suitable mathematical blocks for the design of a specific electronic system;
• understand the timing problems that may arise during the design of an electronic system;
• analyze the performance / reliability relationship of volatile and non-volatile memories;
• realize simple digital systems through VHDL programming of FPGA devices.

To follow the course it is necessary to have full knowledge of the basics of Digital Electronics and Logic Design.

Lectures and computer exercises.

Oral examination, with discussion of a digital design project freely chosen by the student.

During the lectures, the following software applications are used:
- Electric VLSI
- Quartus II
- ModelSim Altera

Manufacturing processes of integrated circuits - Moore's Law - Photolithography – Optical Masks
MOSFET devices - static and dynamic characteristics - parasitic capacitances - short channel effects (SCE) - device evolution (FinFET and FDSOI-CMOS)
Static Logics CMOS - Speed and power consumption of static logic - Concept of critical signal - Switching activity and statistics of signals - Correlation between signals - Logic to ratio - Logics to pass transistors and transfer gate – Dynamic Logic - Speed and power consumption of dynamic logics – Charge sharing - Connection of dynamic gates - Domino Logic - Future trends
Sequential logic circuits - Metrics in sequential circuits – Static latches and registers - Problems in static circuits – Dynamic Latches and registers - Problems in dynamic circuits - Other sequential circuits - Pipelines
Data path - General scheme of a microprocessor - Arithmetic blocks - Adders - Problems in the different types of adder - Calculation of the delay in an adder - Design techniques for reducing delay - Design compromises
Semiconductor memories - Memory architecture - Decoding circuits - Volatile and nonvolatile cells - NOR and NAND FLASH memories - Differences between NOR / NAND Flash memories - NOR Flash architecture - Programming, Erasing and reading in NOR. Architectures of the NAND FLASH. Multi-level NAND –
Programmable logic devices - FPGA project flow - Timing analysis - Constraint definition - RTL simulation and gate-level simulation - VHDL elements