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Progetto di due circuiti integrati digitali resistenti a radiazione per la lettura di dati da esperimenti di fisica delle alte energie. Università di Modena.

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Presentazione sul tema: "Progetto di due circuiti integrati digitali resistenti a radiazione per la lettura di dati da esperimenti di fisica delle alte energie. Università di Modena."— Transcript della presentazione:

1 Progetto di due circuiti integrati digitali resistenti a radiazione per la lettura di dati da esperimenti di fisica delle alte energie. Università di Modena e Reggio Emilia Facoltà di Ingegneria – Sede di Modena Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Relatore: Prof. Ing. Giovanni Verzellesi CERN European Organization for Nuclear Research Tesi di: Sandro Bonacini Controrelatore: Prof. Ing. Fausto Fantini Correlatori: Dr. Alessandro Marchioro Dr. Kostas Kloukinas

2 Sommario Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Il CERN e la fisica delle alte energie Il CERN e la fisica delle alte energie Lacceleratore LHC e lesperimento CMS Lacceleratore LHC e lesperimento CMS Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Una RAM statica radhard in tecnologia CMOS 0.13 micron Una RAM statica radhard in tecnologia CMOS 0.13 micron Conclusioni Conclusioni

3 Effetti dovuti a radiazione nei dispositivi MOS Leakage current Threshold voltage shift

4 Radiation hardening mediante tecniche di layout Utilizzo di una tecnologia commerciale NMOS: Enclosed Layout Transistor p+ Guard Rings PMOS: Standard transistor Drain interno al gate Source esterno Guard ring Inverter

5 Single Event Upset e ridondanza Una particella carica che attraversi i dispositivi può mutare il valore delluscita Impossibile utilizzare logiche dinamiche o memorie dinamiche È necessaria una ridondanza nei dati memorizzati Le state machines impiegate nella logica di controllo sono di solito triplicate

6 Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Il CERN e la fisica delle alte energie Il CERN e la fisica delle alte energie Lacceleratore LHC e lesperimento CMS Lacceleratore LHC e lesperimento CMS Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Una RAM statica radhard in tecnologia 0.13 micron Una RAM statica radhard in tecnologia 0.13 micron Conclusioni Conclusioni Sommario

7 Il Large Hadron Collider ed il Compact Muon Solenoid Collisioni protone-protone fino ad un energia di 14 TeV Collisioni protone-protone fino ad un energia di 14 TeV LHC CERN CMS

8 Il sistema di lettura dati del preshower I dati da 4 rivelatori convergono in 1 link ottico uscente dallesperimento I dati da 4 rivelatori convergono in 1 link ottico uscente dallesperimento È necessaria un unità che unisca i 4 canali: il Kchip È necessaria un unità che unisca i 4 canali: il Kchip Kchip Silicon strip detector Preamplifier and analog memory ADC Serializer and laser driver Outgoing optical link 800 Mbit/s

9 Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Il CERN e la fisica delle alte energie Il CERN e la fisica delle alte energie Lacceleratore LHC e lesperimento CMS Lacceleratore LHC e lesperimento CMS Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Una RAM statica radhard in tecnologia 0.13 micron Una RAM statica radhard in tecnologia 0.13 micron Conclusioni Conclusioni Sommario

10 Il Kchip: funzionalità Lettura dei dati da 4 ADC ad alta risoluzione (12-bit) Lettura dei dati da 4 ADC ad alta risoluzione (12-bit) Buffering Buffering Formattazione del pacchetto dati Formattazione del pacchetto dati Ottimizzazione del fattore di utilizzo del collegamento Ottimizzazione del fattore di utilizzo del collegamento Aggiunta di informazioni importanti per la ricostruzione degli eventi Aggiunta di informazioni importanti per la ricostruzione degli eventi CRC CRC Controllo della parte analogica Controllo della parte analogica Costante monitoraggio di possibili malfunzionamenti e perdite di sincronizzazione Costante monitoraggio di possibili malfunzionamenti e perdite di sincronizzazione Segnalazione di eventuali problemi Segnalazione di eventuali problemi Gestione ad alto livello del collegamento ottico Gestione ad alto livello del collegamento ottico Frequenza di lavoro (clock LHC): 40 MHz Frequenza di lavoro (clock LHC): 40 MHz

11 Il Kchip: progettazione Tecnologia CMOS 0.25 micron Implementazione della logica grazie ad una libreria di standard cells Tecniche CAD permettono la sintesi ed il piazzamento automatico. Impiego di un linguaggio di descrizione dellhardware: Verilog Simulazione

12 Il Kchip: layout finale Dimensioni: 6×5 mm² Numero pad di input/output: 152 Area occupata da standard cells: 2×2 mm² Numero di standard cell gates: Buffers composti da 6 blocchi di SRAM per un totale di ~ 80 kbit Numero totale di dispositivi: ~

13 Il prototipo KchipB Differenze dal Kchip: 1 solo canale di input Buffer di dimensioni ridotte Chip di dimensioni 3.15×2.00 mm² Effettuato un primo testing

14 Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Il CERN e la fisica delle alte energie Il CERN e la fisica delle alte energie Lacceleratore LHC e lesperimento CMS Lacceleratore LHC e lesperimento CMS Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Una RAM statica radhard in tecnologia 0.13 micron Una RAM statica radhard in tecnologia 0.13 micron Conclusioni Conclusioni Sommario

15 Una SRAM resistente a radiazione in tecnologia CMOS 0.13 micron Necessaria per misure di sensibilità ai SEU Necessaria per misure di sensibilità ai SEU Architettura: Architettura: Dual-port dal punto di vista esterno Dual-port dal punto di vista esterno Lettura e scrittura nel medesimo ciclo di clock Lettura e scrittura nel medesimo ciclo di clock Doppio bus di indirizzi Doppio bus di indirizzi Cella di memoria single-port a 6 transistori Cella di memoria single-port a 6 transistori Conseguente risparmio di area Conseguente risparmio di area Lettura e scrittura avvengono in tempi separati Lettura e scrittura avvengono in tempi separati Dimensione configurabile Dimensione configurabile Estrema modularità Estrema modularità Tecniche di self-timing Tecniche di self-timing

16 SRAM: La cella di memoria Dimensioni: 2.58 × 3.73 micron Densità massima: 104 kbit/mm² Ground Power Word-line Bit-lines Access transistors

17 SRAM: Tecniche di self-timing Array di celle di dimensione configurabile Aggiunta di una colonna ed una riga di celle dummy Le dummy bit-lines e word- line sono utilizzate per la temporizzazione Stessi ritardi delle linee normali Indirizzate ad ogni operazione di lettura/scrittura Dummy Bit-lines Dummy Word-line

18 SRAM: layout finale Logica di controllo implementata con standard cells piazzate manualmente Cella di memoria e blocchi adiacenti full-custom layout Risultato: una macrocella contenente 256 × 9 bit Frequenza massima di lavoro: 156 MHz (tipica) Data input register Column decoder Timing logic Address register & multiplexer Data output latch Memory cell array Read logic Bit-line driver Word-line decoder

19 Conclusioni Progettato il Kchip per la lettura di dati dal preshower dellesperimento CMS Progettato il Kchip per la lettura di dati dal preshower dellesperimento CMS In fase di prima fabbricazione In fase di prima fabbricazione Prototipo realizzato ed in fase di testing Prototipo realizzato ed in fase di testing Progettata una RAM statica per la misura di sensibilità ai Single Event Upsets della tecnologia CMOS 0.13 micron Progettata una RAM statica per la misura di sensibilità ai Single Event Upsets della tecnologia CMOS 0.13 micron In fase di fabbricazione In fase di fabbricazione


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