Digitaltechnik

01

Vom Transistor zum Gatter

• Der Transistor als Schalter
• NMOS und PMOS im Vergleich
• Der Inverter — das erste Gatter
• Das NAND aus Transistoren
• Das NOR aus Transistoren
• Das UND aus Transistoren
• Das ODER aus Transistoren
• Das XOR aus Transistoren
• Logische Gatter im Überblick

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02

Der CMOS-Fertigungsablauf

• Front-End und Back-End of Line
• Wafer und Wannen
• Transistorfertigung im FEOL
• Dotierung und Silizidierung
• Kontaktierung
• Metallisierung im BEOL
• Der Ablauf im Überblick

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03

Arithmetik-Schaltungen: Addierer und Multiplizierer

• Der Volladdierer als Grundbaustein
• Carry-Ripple- vs. Carry-Lookahead-Addierer
• Multiplizierer: vom Array- zum Wallace-Tree

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04

Sequentielle Logik: Flip-Flops, Latches und Taktbäume

• Das SR-Latch: die einfachste bistabile Kippstufe
• Flip-Flop-Typen im Überblick: SR, JK, T und D
• Latches und Flip-Flops
• Der Taktbaum
• Asynchrone Steuereingänge und Scan-Flip-Flops

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05

Statische Timing-Analyse: Setup- und Hold-Zeit

• Grundbegriffe der statischen Timing-Analyse
• Der Setup-Check
• Der Hold-Check und die Rolle des Taktversatzes

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06

Statische und dynamische Leistungsaufnahme, Leckströme

• Dynamische Verlustleistung
• Statische Verlustleistung und Leckströme
• Techniken zur Leistungsreduktion

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07

Die SRAM-Zelle

• Zwei rückgekoppelte Inverter als Speicherkern
• Die Zugriffstransistoren
• Schreiben
• Vom einzelnen Bit zum Array
• Lesen

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08

Die DRAM-Zelle

• Ein Kondensator statt sechs Transistoren
• Zugriffstransistor, Wortleitung und Bitleitung
• Leckströme und der Ladungszerfall
• Der Refresh-Zyklus
• Der Sense Amplifier
• DRAM und SRAM im Vergleich

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09

DRAM-Fertigung: der Trench-Kondensator-Prozess

• Allgemeiner Aufbau und Funktionsweise
• Herstellung des Trench-Kondensators
• Herstellung des Zugriffstransistors und der Verdrahtung

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10

Die Flash-Speicherzelle

• Aufbau der Floating-Gate-Zelle
• Programmieren und Löschen
• NOR- vs. NAND-Architektur
• Multi-Level-Cell (MLC/TLC)
• Vergleich: DRAM, SRAM und Flash

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11

Warum neue Speichertechnologien?

• Die Grenzen von Flash
• Die Lücke zwischen Arbeitsspeicher und Massenspeicher

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12

MRAM – Magnetoresistive RAM

• Der tunnelmagnetoresistive Effekt (TMR)
• Aufbau der Magnetic Tunnel Junction (MTJ)
• STT-MRAM als heutige Standardvariante
• Eigenschaften

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13

ReRAM – Resistive RAM

• Das Prinzip der Filamentbildung
• Set- und Reset-Vorgang
• Materialsysteme
• Eigenschaften und Herausforderungen

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14

PCM – Phase-Change Memory

• Amorpher vs. kristalliner Zustand als Speicherprinzip
• Das Chalkogenid-Material GST
• Schreiben durch Aufheizen und Abschrecken
• Intel Optane als bekanntestes Beispiel

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15

Vergleich & Einordnung

• MRAM, ReRAM, PCM und Flash im direkten Vergleich
• Einsatzgebiete und Ausblick

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16

Schaltungslayouts

• Vom Schaltbild zum Chip: EDA
• Vom Schaltbild zum Layout
• Ebene 1: Aktive Zonen
• Ebene 2: Polysilizium
• Ebene 3: Kontakte
• Ebene 4: Metall-1
• Ebene 5: Metall-2
• Ebene 6: Metall-3 — fertig

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17

Design Rules

• Einführung & Motivation
• Grundbegriffe
• Lambda-basierte vs. absolute Regeln
• Beispiel-Regelsatz
• Latchup- und Well-Regeln
• Antenna Rules
• Dichte-Regeln (CMP)
• Design Rule Check (DRC)

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18

Layout versus Schematic (LVS)

• Einführung & Motivation
• Netzlisten-Extraktion aus dem Layout
• Die Referenz-Netzliste aus dem Schaltplan
• Der Vergleichsalgorithmus
• Typische Mismatches
• LVS im Entwurfsablauf

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19

Aufbau eines Prozessors

• Einordnung
• Grundarchitektur
• Kernkomponenten
• Speicherhierarchie
• Takt, Pipelining und Parallelität
• Vom Die zum Chip

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20

Steuerwerk und Befehlsausführung

• Datenpfad und Steuerwerk: wer macht was
• Opcode und der Fetch-Decode-Execute-Zyklus
• Hardwired- versus Microcode-Steuerwerk

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21

CPU vs. GPU

• Einordnung
• Architekturunterschied
• Speicherhierarchie und Bandbreite
• Anwendungsfelder
• Vergleichstabelle

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22

FPGA vs. ASIC: Syntheseablauf und HDL

• Zwei Wege vom Schaltungsentwurf zum Silizium
• Hardware-Beschreibungssprachen und der Syntheseablauf
• Wann FPGA, wann ASIC?

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