SY (systemy sieciowe i komputerowe)ASK (Architektury systemów komputerowych)
Opis przedmiotu:
W Instytucie mamy już kilka przedmiotów zajmujących się informatyką niskopoziomową. Na "Architekturze Komputerów" rozważamy teorię budowy procesorów. Jest "Logika Cyfrowa", gdzie przy użyciu symulacji omawiane są podstawowe składowe układów scalonych. Natomiast na "Kursie FPGA" gotowy układ scalony programujemy własnym kodem.
Jednakże, wszystkie te trzy przedmioty w większy bądź mniejszy sposób abstrahują od rzeczywistego sprzętu/fizyki i zakładają jakieś uproszczenia/warstwy abstrakcji. Przykładowo, zakładamy, że możemy użyć bramki AND, ale jak taka bramka wygląda w krzemie? Jak ją w ogóle zaprojektować i wyprodukować? Jakie problemy mogą wystąpić? Jakich narzędzi się używa w projektowaniu krzemu i co oferuje środowisko open-source? Dlaczego tylko jedna bądź dwie firmy na świecie są w stanie produkować układy scalone w najnowszych procesach techologicznych?
W ramach tego seminarium, chciałbym wraz ze studentami poszukać odpowiedzi na powyższe pytania i zrozumieć co właściwie musielibyśmy posiadać, by wyprodukować w domu swój własny układ scalony.
Biorąc pod uwagę, że projektowanie układów scalonych jest tematem z pogranicza informatyki, chemii i fizyki, należy się spodziewać, że będą występowały zagadnienia ze wszystkich tych trzech dziedzin. Jednakże nie zakładam, żadnej wiedzy wstępnej z zakresu chemii i fizyki, wykraczającej poza materiał z gimnazjum/liceum.
**Zalecana wiedza wstępna:**
- podstawy projektowania układów scalonych, na przykład z przedmiotu Logika Cyfrowa (przerzutnik, bramka logiczna, pamięć, multiplekser itp.)
- podstawowa wiedza fizyczna (natężenie, napięcie, opór, prawo Ohma, moc itp.)
- podstawowa wiedza chemiczna z gimnazjum (co to jest jon, kwas, zasada itp.)
**Orientacyjny spis zagadnień:**
- Składowe układu scalonego
- warstwy metalowe, półprzewodnikowe, wypełniacze
- dopanty
- jakie związki są stosowane i jakie mają właściwości
- fotorezystory
- Technologie wykorzystywane w produkcji układów scalonych
- PECVD
- Physical Vapor Deposition
- Sputtering System
- Reactive Ion Etching
- Odprowadzanie ciepła
- Wpływ ciepła na działanie układu
- Metody odprowadzania ciepła
- Symulacja generowanego ciepła i jego rozpraszania
- Źródło światła w fotolitografii i jego wpływ na układ scalony
- Sposoby analizy jakości wykonania układu
- Mikroskopy elektronowe - wady, zalety, ograniczenia
- Semiconductor Parameter Analyzer
- IRIS (Infra-Red, *in situ*)
- Probe station
- Wykańczanie układu scalonego
- Metody łączenia czipletów
- Łączenia układu scalonego z obudową
- "Bez obudowy" (ang. lidless package)
- Metody oszczędzania energii
- komórki HVT, LVT, ULVT
- clock gating
- power gating
- Wpływ stabilności źródła zasilania na działanie układu
- Chwilowy pobór prądu
- Kondensatory wbudowane w układ scalony
- Zakłócenia - wpływ, symulacja i zapobieganie
- pojemnościowe
- indukcyjne
- Interkonektory nanooptyczne
- Interkonektory bezprzewodowe/radiowe (w tym wysokich częstotliwości sub-THz)
- PDK - co to jest i co zawiera? Przykładowe PDK open source SKY130
- Narzędzia open-source
- OpenRoad
- OpenLane
- Magic VLSI Layout Tool
- Netgen
- SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)
- KLayout
- Memrystory - działanie, zastosowania, budowa
- Pamięci NAND / NOR
- Budowa pamięci DDR
- Dystrybucja zegara i problemy związane z dużym fanoutem
- Materiały alternatywne do krzemu (German, Gal, ...)
- Na jakim są etapie wdrażania?
- Potencjalne zalety
- Aktualne problemy do rozwiązania
- Urządzenia i prefabrykaty do produkcji krzemu:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Aligner_(semiconductor)
- https://en.wikipedia.org/wiki/Stepper
- https://en.wikipedia.org/wiki/Boule_(crystal)
- Hotplate
- Spin Coater
- Budowa układów analogowych
- SerDes
- Phase Lock Loop (PLL)
**Materiały z innych uczelni:**
- MIT:
* https://ocw.mit.edu/courses/6-720j-integrated-microelectronic-devices-spring-2007/
* https://ocw.mit.edu/courses/6-781j-submicrometer-and-nanometer-technology-spring-2006/
* https://ocw.mit.edu/courses/6-774-physics-of-microfabrication-front-end-processing-fall-2004/
* https://ocw.mit.edu/courses/6-780-semiconductor-manufacturing-spring-2003/
* https://ocw.mit.edu/courses/6-776-high-speed-communication-circuits-spring-2005/
- UNED: https://courses-ecovem.eu/basics-of-microelectronics-manufacturing-processes/
- TU Gratz: https://lampz.tugraz.at/~hadley/semi/
**Przykładowa literatura:**
- Franssila, Sami. (2010). Introduction to Microfabrication. Introduction to Microfabrication. 10.1002/9781119990413.
- MKS Instruments Handbook Second Edition Semiconductor Devices and Process Technology, https://www.mks.com/mks-handbook
- S. Li, M. -S. Lin, W. -C. Chen and C. -C. Tsai, "High-Bandwidth Chiplet Interconnects for Advanced Packaging Technologies in AI/ML Applications: Challenges and Solutions," in IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society, vol. 4, pp. 351-364, 2024, doi: 10.1109/OJSSCS.2024.3506694.
- O'Connor, Ian, and Gabriela Nicolescu, eds. Integrated optical interconnect architectures for embedded systems. Springer Science & Business Media, 2012.
**Konferencje:**
- International Solid-State Circuits Conference (https://www.isscc.org/)
