Università di Modena e Reggio Emilia

Presentazione sul tema: "Università di Modena e Reggio Emilia"— Transcript della presentazione:

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

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

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

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

5 Single Event Upset e ridondanza
Una particella carica che attraversi i dispositivi può mutare il valore dell’uscita 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 Sommario Tecniche di realizzazione di circuiti integrati resistenti a radiazione Il CERN e la fisica delle alte energie L’acceleratore LHC e l’esperimento CMS Il calorimetro elettromagnetico ECAL ed il preshower. Il Kchip: un circuito per la lettura di dati dal preshower Una RAM statica “radhard” in tecnologia 0.13 micron Conclusioni

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

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

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

10 Il Kchip: funzionalità
Lettura dei dati da 4 ADC ad alta risoluzione (12-bit) Buffering Formattazione del pacchetto dati Ottimizzazione del fattore di utilizzo del collegamento Aggiunta di informazioni importanti per la ricostruzione degli eventi CRC Controllo della parte analogica Costante monitoraggio di possibili malfunzionamenti e perdite di sincronizzazione Segnalazione di eventuali problemi Gestione ad alto livello del collegamento ottico 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 dell’hardware: 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: 13380 Buffers composti da 6 blocchi di SRAM per un totale di ~ 80 kbit Numero totale di dispositivi: ~

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

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

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

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

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 Bit-line driver Column decoder Word-line decoder Timing logic Memory cell array Address register & multiplexer Data output latch Read logic

19 Conclusioni Progettato il Kchip per la lettura di dati dal preshower dell’esperimento CMS In fase di prima fabbricazione 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 In fase di fabbricazione