Integrated ElectronicSystems Lab
July 2018 | TU Darmstadt | Integrated Electronic Systems Lab | Klaus Hofmann | 1
FG Integrierte ElektronischeSysteme
Prof. Dr.-Ing. Klaus Hofmann
FG Integrierte Elektronische Systeme
Technische Universität Darmstadt
IEEE Spectrum
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Profil FG IES und Zahlen� Aufgabe gemäß Widmung: “Forschung und Lehre für analoge, digitale
und mixed-signal Schaltungen und Systeme sowie dazu notwendigeCAD-Verfahren”
� Aktuell 10 Wimis
� 1 Gastprofessor (Prof. Abd el-Ghany, GUC, AvH Institutspartnerschaft)
� 2 ATMs, 1 Sekretärin
� 2017: 33 Abschlussarbeiten (Bachelor/Master thesis)
� Lehre (allgemein bzw. In DT und IMNT/SAE):� Elektronik (BSc): ~300 Tln., Elektronik-Praktikum: ~150 Tln
� Analoge Schaltungen (BSc): ~100 Tln
� Adv. Digital Int. Circuits (MSc): ~100 Tln
� CAD4SoC (MSc): ~70 Tln
� Circuit building blocks for comm. Systems (MSc): ~50 Tln
� Printed Electronics (zus. mit FB16): ~50 Tln
� Seminar Additive Manufacturing (zus. mit FB16+FB13): ab WiSe 18
� Full custom ASIC Praktikum (3bit DAC bis layout): ~30 Tln
� Semi custom ASIC Praktikum (Verilog+Synth 4stage pipelined uP bis schematic): ~30 Tln
� DfT-Seminar incl. Lab (Lehrauftrag): ~60 Tln
� Industrieelektronik (Lehrauftrag): ~20 Tln
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Status: Long live Moore´s law!
� 2016 wurden ca. 700*1018 Transistoren gefertigt (700 Mrd Mrd)
� Intel fertigt 10nm 3rd Gen. FinFETs (100 MioT/mm2)
� Samsung 3D V-NAND 10nm Zelle
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Source:Icinsights, eetimesAutomotive: $28 Mrd in 2016, 53% Wachstum gegenüber 2011
Neuer Megatrend: AI (Prozessoren + Memory)
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Lebensabend von Moores law!
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Transistoren (1000)
Power (W)
Taktrate (MHz)
Performance/Clock (ILP)
www.gotw.ca
1 Mrd Transistoren!
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Neue Ansätze� Neue Informationsdarstellung, nach ITRS
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Ladung
Nicht-Ladung
Si-FET Fin-FET
NW/CNT-FET
Graphene-FET
CMOS Erweiterung!
Spin-FET
TFET
QCA NEMS
Beyond CMOS!
AtomicSwitching
Mott-FET
RTD SET
Spin-Wave
Nano-magnet
DWall(FeMag)
Logic
BiSFET
Spin Logic
Beyond CMOS!
Basierend auf: An Chen, ITRS ERD, Mai 2015Ziel: Informationsverarbeitung, Logik!
CMOS Erweiterung!
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Neue Ansätze (II)
• Funktionale Anreicherung:
• Komplexe, flexible Leiterplatten,+ additive Manufacturing
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Forschungsgebiete
FachgebietIntegrierte Elektronische Systeme
Integrierte Schaltungen Elektronische Systeme
ASIC-Design für• Hohe Spannungen• Strahlenbelastete
Umgebungen• System-on-Chips
• Hohe Performance/ Geschwindigkeit
Entwurf von Schaltungen und
Konzepten für intelligente Sensorik (Industrie 4.0, IoT)ZUV und Verifikation von Bauteilen und
Systemen
Knoten an der TU Darmstadt, Zugriff auf Technologien und
EDA-Tools
[4]
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Integrierter Schaltungsentwurf
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� Durch Zugriff auf faktisch alle verfügbaren Technologien viele Anwendungsgebiete:
� High-Speed Digital (neue Schaltungen und Systemkonzepte)
� Forschung: extrem niedrige Leistungsaufnahme, flexible Rekonfigurierbarkeit
� Präzise analoge Integrierte Elektronik
� Forschung: Digitally-assisted analog (Selbst-Kalibration zur Cancellation der Prozessvariationen, auch Verwendung als PUF (physic. Unclonable Function))
� Hochvolt Integrierte Schaltungen (120V, 350V, 700V)
� Forschung: Schaltungen selbst, Cointegration mit Sensorik, Lebensdauer/Reliability, Vollintegration aller Bauelemente
� HF-SoCs
� Forschung: HF-SoC für Kommunikationselektronik, EDA-Aspekte
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Integrierter Schaltungsentwurf
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� Forschungs-, Kooperations-ASICs:
2012: 120V CP 2013: 120V CP 2013: 1x120V D/A 2013: 90nm ∆Σ-SC 2014: 8*120V D/A
2014: EAP Driver > 500 V 1/2016: RF-Transceiver 12/2016: EL-Anst. & Sensorik9/2016: 32b-µC2014: Boost Converter > 600 V
5/2017 65nm All digital DLL 9/2017: EL-Anst. & -Sensorik5/2017 65nm Tracking ADC 12/2017: RF-Transceiver
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Laufende Projekte (2018)
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DFG
� Adapt-IO (Low-Power/High-Speed all digital DLL)� PARFAIT (Ambipolare DeFETs, Kooperation mit HLT)� OSAT (Neuartiger Tracking ADC)BMBF/BMWi� ELSE (Integrierte Elektrolumineszenzansteuerung, Kooperation mit IDD)� Hydro-Meter (Elektronik und Sensorik für Wasserstoffdurchflussmesser)� HRDCCT (Integrierter DC-Stromtransformator für Beschleuniger,
Kooperation mit GUC + GSI)AiF/AiF-ZIM� PQL2 (ZUV+Lebensd. von LED und Vorschaltgeräten, Kooperation mit LT)� FTTH-ASIC (Fiber-to-the-Home System-on-Chip)Industrie� Gree Electrical Appliances of Zhuhai, P.R. China (PUF, ADC)� Fa. N.N. (Intelligenter Antrieb, Industrie 4.0, Kooperation mit PMD)� Esters (uC-basierte low-power Elektronik)� Continental (L3-Kolleg)
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Forschung zu „More Moore“
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� Hintergrund: moderne „digitale“ ASICs für High-Speed-Anwendungen haben stets analoge Komponenten (z.B. Phaseninterpolatoren / Fine-DelayLines)
� Unterhalb 40nm „bizarre“ Größen- und Leistungsverhältnisse zwischen analogen und digitalen Blöcken (5% analoge Chipfläche braucht 30% der dyn. Verlustleistung)
� Grund: digitale Transistoren: minimale Abmessungen (z.B. 28nm Gatelänge), analoge Tr: 90-110nm im gleichen Prozess wg. Prozessvariationen + Eigenschaften
� IES-Projekte:
� All digital DLL
� Neuartiger Tracking-ADC
� Digitally-assisted ADCs (Selbstkalibrierende analoge Blöcke)
� Aus Kalibrierung ableitbare Sicherheitsmerkmale (PUFs)
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DFG-Projekt „Adapt IO“
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� Alle schnellen (> 1Gbit/s/pin) Kommunikationssysteme benötigen Clock<->Data Justierung (Taktgenerierung/-ableitung)
� SOTA: Feinjustierung mit analogen Mischschaltungen
� Unser Ansatz: Delay-Line mit paras. Kapazitäten, 6bit PDC, dig. Phaseninterpolator + Schleifenfilter; 2,5 GHz
� 862 fs Phase Jitter
� -110.7 dBc/Hz Phase Noise
� All digital (skaliert, niedr.
Verlustleistung)
• 2.5 GHz DLL using a 6 bit Phase-to-digital converter
• Quadrature phase output• 7 bit phase interpolator• UMC 65 nm LL CMOS• 0.0037 mm², 3.9 mW (DLL+PI)• Tapeout - April 2017
Low Power All-Digital DLL Based Multi-Phase Generator
� Derzeit ohne reg. Supply
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DFG-Projekt „Adapt IO“
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65nm UMC1,5mm Kantenlängedes Chips
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Integrierte Schaltungen Sensorik
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� ELSE - Elektroluminescence-Display in capacitive Sensorics (Partner: Firma Binder, Captron, Evobus, IDD)
� ASIC & System-architecture
12/2016: EL-Anst. & Sensorik
Diskreter Prototyp für Dauertests Integrierte Lösung (HV+Sensorik!)
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Integrierte Schaltungen HV+Sensorik
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EL-Ansteuerung
� 200Vp / 400Vpp
� Ohne merkliche Erwärmung im Zeitmultiplexing
5kHz, 2ms an / 8 ms aus� Dauerbetrieb möglich� Frequenzen ≤ 5kHz möglich
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Integrierte Schaltungen HV+Sensorik
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RA* Light Emission & Sensor Control
*Vin=5VDC, Vout=± 250VAC , ≤5kHz
* SpreadSpectrum, 9bit, 1-5MHz
* XFab, XDH10, 1µm SOI
* 5.865 x 6.570 mm²
High-Voltage Inverter for EL-Devices with Sensor Excitation
Sep 2016
CA
PS
ICU
M * High Voltage – Light Emission (EL)Vout=± 250VAC , ≤5kHz
* Low Voltage – Sensor ControlSpreadSpectrum, 9bit, 1-5MHz
* XFab, XDH10, 1µm SOI
* 2.910 x 3.435 mm²
Economic Mixed Power IC
Sep 2017
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Anwendungsorientierte Forschung
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� GSI (BMBF, TUD/GSI-Kooperation)
� Novel electronical systems for extreme fast measurements in rad-hard environments
� Novel beam transformer (NDCCT)
� Digital solution
� Rad-hard ASIC solution
� Bunch-to-Bucket Transfer SIS18->SIS100
� PQL2 (Performance-Quality-Label für LED Vorschaltgeräte)
� Forschung zu Ausfallursachen und
Alterung von LED +
LED-Vorschaltgeräten
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Rekonf. CCII ∆Σ Modulator
� Rekonfigurierbarer ∆Σ Modulator auf Current-Conveyer (2nd gen) basis
� CCII haben konstruktionsbedingt weniger Probleme mit Stabilität als high-gain OTAs (da Verstärkung und Bandbreite unabhängig) – Offset und Linearitätsprobleme müssen kalibriert werden
� Forschungsarbeit: für viele Mobilfunkstandards (GSM, BT, GPS, UMTS, DVB-H) rekonfigurierbarer ∆Σ Modulator
� Details siehe separate Präsentation
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Pegasus CCII based 2-2 Cascade
∆ΣModulator
fCLK upto 120 MHz, fin upto 4 MHz.
1V/90nm CMOS Process, 1.96 mm2
TO Apr 2013.
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Ambipolare DG Transistoren
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� Ambipolare Dual-Gate Transistoren
� Kooperation TU Darmstadt (Schwalke, Hofmann)+KIT (Becker)
� Ziel: Neue Architekturen, HAT/Cryo-Elektronik,
� Spezielle Implementierung ohne Dotierung ermöglicht HT bis 300°C
� Beitrag IES: StdZellen, Modellierung, Basisschaltungen
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SmartTool (Industrie 4.0)
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Olimex-Board als Prototyp,Test + Algorithmen Erster Entwurf
Versuchsanordnung mit äußerlich angebrachter Elektronik
Flexible Platine,3D-Druck des WKZ-Halters
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SmartTool (Industrie 4.0)
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8000 U/min!
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Fiber-to-the-Home ASIC
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� FTTH (Fiber to the Home) ASIC (Partner: DEV-Systemtechnik)
� ASIC Design of a complex Mixed-Signal/RF chip
Heute (Einschub)
Morgen (SFP+)
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Fiber-to-the-Home ASIC
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� 2 ASICs entworfen und gefertigt
• RF gain/power control – LNA, PA, Attenuators; Logarithmic power detector
Mixed-Signal ASIC Transceiver with Built-in Self-test for FTTH
Applications
• Laser-diode driver -- dig. bidirectional VCCS • Built-in self-test; Dig. controllable ring oscillator• IHP SiGe BiCMOS -- 5,07 mm2; Tapeout - Dec 2017
* RF signal processing- Amplifier; Gain control; Logarithmic detector
- 700 MHz to 2.3 GHz* LED driver - Bidirectional VCCS * IHP SiGe BiCMOS
- 130 nm; 5,1 mm2
* Tapeout - April 2015
Mixed-Signal ASIC Transceiver for FTTH Applications
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Europractice
� FG IES ist Knoten der TU Darmstadt für alle FG
� Andere FG beziehen über uns CAD-Software
� CAD-Werkzeuge (sehr günstig!) + Fertigungsservices (MPW, miniASICs, günstig) verfügbar
� CAD environment:� Full custom & high speed digital: Cadence (stream 5+6)
� Semicustom: Synopsys, Mentor, Xilinx
� Viele Technologien installiert� IHP SG13S SiGe, UMC 90nm, GF 65nm, HV: X-Fab XDH10, XU035, XT035,
AMS035; Zugriff auf 46nm und 28nm
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EquipmentSpecial Measurement & Assembly Equipment:
� Mixed-Signal Oscilloscopes up to 20 GHz BW
� Logic Analyzer w 64 inputs
� Network & Spectrum Analyzer
� Solartron Parameter Measurements (also High Voltage)
� Waferprober (2)
� Climate Chambers (2*400l, incl. humidity)
� Semiautomatical and Automatic Assembly for PCBs (SMD), Oven, solder-printing
� Stepper (automatical measurement)
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Vielen Dank!
谢谢您!
2012: 120V CP 2013: 120V CP 2013: 1x120V D/A 2014: 8*120V D/A 2014: Boost Converter
Thank you!
2013: 90nm ∆Σ-SC