Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Fizika, digitális technika

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

A tantárgy célkitűzése, hogy megismertesse a hallgatókat az IT eszközök legfontosabb hardware elemeinek működésével, ezen elemek elektronikai alapjaival és megvalósításuk technológiáinak alapjaival. Cél továbbá annak bemutatása, hogy a modern mikroelektronika milyen lehetőségeket biztosít a számítástechnika számára, melyek a fizikai megvalósítás korlátjai, és mik a fejlődés trendjei. A tárgy további célja az, hogy az informatikus hallgatók megértsék, és a laboratóriumi gyakorlatokon maguk is tapasztalják, hogy a hardver- és szoftverfejlesztés hasonló elvek és eszközök segítségével történik.

A tárgyat sikeresen teljesítő hallgató:

·        (K1) tisztában lesz a jelenleg alkalmazott IT eszközök alapvető működésével és ezek korlátaival

·        (K2) elemi megfontolásokat képes alkalmazni egy rendszer teljesítmény és hűtésigényére

·        (K2) megérti a modern digitális tervezés alapfogalmait, és megismeri az alapvető fejlesztőeszközöket, így képes lesz csapatban villamosmérnökökkel digitális rendszerek fejlesztésében résztvenni

·        (K1) alapszinten tisztában lesz egy elektronikai rendszer fizikai felépítésével. (nyomtatott huzalozás, alkatrészkészlet, tápellátás, órajel előállítás)

·        (K2) alapvető ismeretekkel fog rendelkezni az érzékelők és A/D – D/A átalakítók területén

A részletes tematikát heti bontásban adjuk meg.

1.      Rövid bevezetés, az IT eszközök tervezésének absztrakciós szintjei, az alkalmazott technológiák rövid összefoglalása. Példák: tablet felépítése, alkatrészei, érzékelői, szereléstechnológiája. A modern IT eszközökben felhasznált integrált áramkörök, fejlődési tendenciák, roadmap-ek. VLSI alapfogalmak.

2.      A félvezetők alaptulajdonságai, a MOS tranzisztor felépítése. A MOS tranzisztor, mint kapcsoló eszköz működése. A digitális logika megvalósítása logikai áramkörökkel. A statikus CMOS logika: inverter, alapkapuk. Kapukésleltetés és fogyasztás.

3.      Mikroprocesszorok és a kapcsolódó logika fizikai megvalósítása. Kombinációs és szekvenciális hálózatok áramköri megvalósítása, tárolók. Az adatút elemei. Nagysebességű digitális rendszerekben alkalmazott elrendezések.

4.      Digitális (IC) rendszertervezés. A digitális tervezés folyamata. Hardver leíró nyelvek. Szimuláció: rendszerszintű, logikai és áramköri szimuláció. Rendszertervezés és verifikáció HDL segítségével. Magas szintű, logikai és layout szintézis. A hard és szoft IP.

5.      Az operatív és a cache memória technológiája. Statikus RAM memória cella, működése. Több portos SRAM, regisztertömb áramköri megvalósítása. Dinamikus RAM memóriák technológiája, a cella működése. Tartalommal címezhető memória. ROM memóriák technológiája. A NAND és NOR típusú elrendezés. Flash EEPROM elemi cellája, működése és technológiája.

6.      A be- és kimenet. Az ESD védelem. Buszok meghajtása. Órajel generálás és elosztás. IT eszközök tápellátása. Egyenirányítás, DC-DC átalakítás, feszültségstabilizálás. Az akkumulátoros üzem, akkumulátorok jellemzői.

7.      ASIC áramkörök, system on a chip. ASIC áramkörök alaptulajdonságai. Semi-custom ASIC, gate-array, standard cellás áramkörök, cella bázisú ASIC. Programozható logikai eszközök. FPGA-k felépítése és tulajdonságai.

8.      Asztali és mobil számítástechnikában használt érzékelők: hőmérséklet, elmozdulás, gyorsulás, érintés érzékelése.  Integrált érzékelők, CMOS képérzékelő. Integrált érzékelő gyártástechnológiája, a MEMS.

9.      Megjelenítő eszközök és vezérlésük. TFT, a háttérmegvilágítás megvalósítása, fényemittáló és lézerdióda. Érintőképernyők technológiája.

10.   Mágneses adattárolók felépítése, a felhasznált technológiák és érzékelők, mágneses tér és fényintenzitás érzékelése. Trendek és újdonságok a mágneses adattárolásban.

11.   AD/DA átalakítás.  Mintavételezés. Ideális és valós konverterek, az A/D és D/A konverterek főbb tulajdonságai, használatuk, tulajdonságaik. Főbb A/D és D/A konverter architektúrák tulajdonságai.

12.   Modern IT eszközök teljesítmény és hőmérsékleti problémái. A hőellenállás és a hőkapacitás. Passzív és kényszerített hűtési technológiák. A fogyasztáscsökkentés rendszer szintű megvalósítása. Szerverek és adatközpontok termikus problémái.

13.   Az elektronikai technológia alapjai. Nyomtatott huzalozású lemez, passzív és aktív alkatrészek tokozása, értékkészlete, alapvető tulajdonságai.

14.   (amennyiben megtartható) A modern CMOS technológia. Skálázási problémák. Trendek és új megoldások a mikroelektronikában. Kitekintés a nanoelektronika felé.

A tárgyhoz laboratórium (1 óra/hét) tartozik.

A labor elősegíti az előadásokon elhangzott ismeretek megértését és elmélyítését. Az elvégzendő feladatok a szemeszter folyamán 2 órás blokkokban az alábbiak:

1.      Áramköri szimuláció.

2.      Tervezés HDL segítségével

3.      A megtervezett rendszer kipróbálása FPGA-n.

4.      Tervezés SoC-re.

5.      Egy komplex mintapélda kipróbálása, módosítása

A tantárgy elméleti anyagát (heti 2 óra) előadásokon ismertetjük. A félév során 10 alkalommal a hallgatók részben az előadás, részben a laboratóriumi gyakorlat anyagához kapcsolódó önálló házi feladatot kapnak. A házi feladatok egy része az előadás tematikájához kapcsolódó irodalom feldolgozása, más része pedig számítási feladat. Egy házi feladat elkészítése körülbelül 3-4 óra befektetett munkát igényel.  

A laboratóriumi gyakorlatokon korszerű eszközök segítségével a hallgatók betekintést nyernek a modern hardver-tervezés folyamatába, a megtervezett egyszerű feladatokat pedig rögtön ki is próbálják megfelelő fejlesztőkártya segítségével.

 A szorgalmi időszakban: a félévközi jegy megadásának feltétele:

§  a laboratóriumi feladatok teljesítése (a laboratóriumi gyakorlat megkezdése előtt a felkészülést minden alkalommal szintfelmérő értékeléssel ellenőrizzük, a feladatok mindegyike min. elégséges szinten teljesítendő)

§  egy összegző teljesítményértékelés (nagyzárthelyi) elégséges szintű megírása

§  a kis házi feladatok összességében elégséges szintű elkészítése

A félévközi jegy kiszámítása 80%-ban a nagyzárthelyi eredmény, 20%-ban pedig a kis házi feladatok alapján történik. 

Az összegző teljesítményértékelés (nagyzárthelyi) pótlására a szemeszter folyamán egy alkalommal pótzárthelyi írási lehetőséget biztosítunk. A zárthelyi második pótlására csak abban az esetben kerülhet sor, ha a Tanulmányi és Vizsgaszabályzat erre az oktatási-szervezeti egységet kifejezetten kötelezi.

A laboratóriumi gyakorlatok közül egy pótolható a szemeszter folyamán. A kis házi feladatok mindegyike egy alkalommal pótolható.

A tárgyból heti rendszerességgel konzultációt tartunk, ennek helyét és idejét előzetes egyeztetéssel határozzuk meg. A nagyzárthelyit megelőzően kívánságra „megerősített” konzultációt biztosítunk.

A tantárgy honlapján közzétett előadás segédletek és kiegészítő anyagok.

Székely V.: Elektronika I. Félvezető eszközök, Műegyetemi Kiadó, 55054

Dr. Mojzes Imre (szerk.): Mikroelektronika és elektronikai technológia (2. kiadás)

Az IMSc-s hallgatók számára külön labor csoportot indítunk. (Az előadás a teljes évfolyam számára közös.) Ezekben a csoportokban ugyanazon tananyag és tematika mellett mélyebb, összetettebb feladatok gyakoroltatják ugyanazokat a témaköröket.

Az érdeklődők számára a tárgyon tanultak alkalmazását bemutató, illetve a tárgy szorosan vett tananyagán túlmutató IMSc házi feladatokat adunk ki a tárgy honlapján. Ezek egyéni elmélyülésre adnak lehetőséget, kidolgozásukhoz konzultációk keretében segítséget nyújtunk.

A számonkéréseken alkalmazott pontozás és jegyszámítás mindenkinél egységes. 

A laboralkalmakon kiadott IMSc feladatok helyes megoldásával laboralkalmanként 1 IMSc pont szerezhető. Az IMSc házi feladatok megoldásával bonyolultságtól függően 1,2 vagy 3 IMSc pont szerezhető. A félév során összesen 20 IMsc pont szerezhető, 5 a laborok során és 15 az IMSc házi feladatok megoldásával.