Chiptervezés

A tantárgy angol neve: Chip Design

Adatlap utolsó módosítása: 2022. november 11.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar 		Villamosmérnök MSc 
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIEEMA09   2/1/0/v 5  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Takács Gábor,
A tantárgy tanszéki weboldala http://edu.vik.bme.hu
4. A tantárgy előadója
Dr. Takács Gábor, egyetemi adjunktus, EET
Dr. Bognár György, egyetemi docens, EET
Dr. Szabó Péter Gábor, egyetemi docens, EET
6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
NEM
(TárgyEredmény( "BMEVIEEMA02", "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIEEMA02", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

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

7. A tantárgy célkitűzése
A tantárgy célja, hogy megismertesse a hallgatókat az olyan integrált áramkörök (chipek) tervezésének módszereivel, amelyek mikro- elektromechanikus rendszereket (MEMS), és az azok kiolvasásához vagy mozgatásához szükséges áramköröket tartalmazzák. Bemutatjuk a főbb különbségeket a chiptervezés és a diszkrét komponensekkel való áramkörtervezés között.
A tárgy első felében az analóg integrált áramkörtervezés alapjait sajátíthatják el a hallgatók, amely tudást egy modern, az iparban széleskörűen elterjedt mikroelektronikai tervezőrendszer használata segítségével mélyíthetnek el. A tervezés alapjául szolgáló integrált áramköri technológia (PDK-t) szintén ismertetésre kerül, különös figyelmet fordítva az elérhető speciális komponensekre. A tervezés során használható analóg integrált áramköri blokkok megismerése után az integrált áramkörtervezés speciális ellenőrzési és szimulációs módszerek bemutatása és alkalmazása következik, fontos szerepet adva a robusztus működésre és a gyárthatóságra való tervezésre. 
A tantárgy második fele a MEMS eszközök gyártástechnológiáinak ismertetésével indul, majd az így elkészíthető eszközök bemutatása, és azok tervezési módszerei következnek. Különös figyelmet fordítunk az elektro-mechanikus és elektro-termikus hatások megismerésére, valamint az ilyen fizikai elveken alapuló MEMS eszközök bemutatására. A félév végén a MEMS eszközök számítógépes tervezését sajátíthatják el a hallgatók, amely magába foglalja a tervezési stratégiák, a csatolt fizikai modellezés, a digitális iker létrehozásának, és a redukált rendű modellezés főbb kérdéseit és kihívásait.
A hallgatók az elméleti ismereteket a gyakorlati foglalkozások alkalmával mélyíthetik el.
8. A tantárgy részletes tematikája
Az előadások részletes tematikája 
1. Bevezető előadás: az integrált áramkörök és a diszkrét komponenseken alapuló áramkörök különbségei, előnyök-hátrányok, lehetőségek és korlátok.
2. A méretcsökkentés (scale down) fizikai és technológiai vívmányai. Modern MOS-FET tranzisztorok és új technológiai megoldások (gate engineering, high K, low K, strained silicon, multi Vt technique, tri-gate és GateAllAround tranzisztorok stb.) megismerése. A fejlődés további motivációs tényezői, kitekintés a jövőbe a tervező szemszögéből.  Modern fotolitográfia újszerű technológiai megoldásai nanométeres mérettartományban történő alakzat kialakításához. 
3. Integrált áramkör (IC) tervező rendszer bemutatása. Egy választott technológia szerinti tervezési folyamat (design flow) részletes ismertetése. A Process Design Kit (PDK) fogalma. Egy választott process részletes megismerése (rendelkezésre álló eszközök, modellek, opcionális bővítési lehetőségek (HVMOS-FET, PolyR, MIM stb.), maszkrétegek stb.). 
4. Tipikus analóg integrált áramkörök és működésük ismertetése I.: egytranzisztoros alapkapcsolások, áramtükör és differenciál-pár
5. Tipikus analóg integrált áramkörök és működésük ismertetése II.: többfokozatú erősítők és OTA / OpAmp,
6. Tipikus analóg integrált áramkörök és működésük ismertetése III.: fokozatok közötti csatolások, visszacsatolt erősítő kapcsolások, munkaponti és stabilitási kérdések.
7. Integrált áramkörök fizikai ellenőrzésének fontossága, gyárthatóságra való tervezés. DRC, LVS, Extract, DFM, QRC, PVS, ERC fogalmai. Tipikus technológia hibák és kiküszöbölésük érdekében tett tervezői megfontolások. Legfontosabb DRC szabályok ismertetése.
8. Integrált áramkörök maszk rajzolatának (layout) tervezésének ismertetése, különös figyelemmel az analóg layout kialakítási szabályokra. Analóg és vegyesjelű (mixed-signal) áramkörök layout tervezésének módszertana és gyakorlata. Paraméter szórás becslése és figyelembevétele integrált áramköri technológiák esetén. Process szórás és mismatch fogalmai.  Monte-Carlo analízis lehetőségei. Analóg áramkörök (diff.pár, áramtükör) tervezése során a mismatch minimalizálása érdekében tett tervezési megfontolások. PVT sarokpontok és modern ellenőrző eszközök.
9. MEMS eszközök gyártástechnológiái
10. Szilárdságtan alapjai, MEMS gyorsulásérzékelők koncepciója, fizikai háttere
11. Elektrosztatikus mozgatás és érzékelés; Fésűs meghajtó, mikrotükör felépítése és működésük fizikai leírása. Elektro-mechanikus átalakítás: piezorezisztivitás és piezoelektromosság; Giroszkópok és elektromechanikus kapcsolók működése; 
12. Elektro-termikus kereszteffektusok, hőmérsékletérzékelés, infravörös szenzorok, elektro-termikus aktuátorok
13. Csatolt fizikai modellezés kérdései, multidomén helyettesítő képek analízise, digitális iker létrehozása, áramköri helyettesítő képek megalkotása, redukált rendű modellezés.
14. MEMS tervezési stratégiák ismertetése, MEMS-ek számítógépes tervezése, modellezése és szimulációja.
 
A laboratóriumi gyakorlatok részletes tematikája:
1. Ismerkedés a nyílt integrált áramkör tervező rendszerrel.
2. Analóg integrált áramköri design Flow bemutatása egy konkrét példán keresztül. Specifikációk tisztázása.
3. Egy kiválasztott áramkör kapcsolási rajzának elkészítése és áramköri szimulációk futtatása.
4. Az áramkör működésének különböző technológiai szórásokra es hőmérséklet tartományokra történő szimulációja, a terv módosítása.
5. MEMS Eszközök tervezésének lépései. Egy kiválasztott MEMS eszköz fizikai tervének elkészítése.
6. MEMS eszköz működésének szimulációja FEM eszköz segítségével.
 
9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) A tantárgy elméleti anyagát a 2 óra/hét kiméretű előadásokon ismertetjük. A tárgyhoz laboratóriumi gyakorlat (1 óra/hét) tartozik. 
10. Követelmények

Szorgalmi időszakban:

A nagyzárthelyi elégséges szintű teljesítése és a tárgyhoz tartozó laboratóriumi gyakorlatok sikeres teljesítése és a jegyzőkönyv(ek) határidőre történő leadása.

Vizsgaidőszekban:

A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megszerzése a szorgalmi időszakban vagy a korábbi években megszerzett aláírás is elfogadható. A tárgyból szóbeli vizsgát tartunk.

11. Pótlási lehetőségek
A nagyzárthelyi a pótlási időszakban egy alkalommal pótolható. További pótlási lehetőség (pl. pót-pót ZH) nem áll rendelkezésre.
A szorgalmi időszakban lehetőséget biztosítunk két laboratóriumi foglalkozás pótlására.
12. Konzultációs lehetőségek Zárthelyik ill. vizsganapok előtt az előadókkal történő személyes megbeszélés vagy e-mail képezi a konzultáció alapját.
13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom
Elektronikusan elérhető előadás fóliák, oktató által készített segédanyagok.
Tanszéki elektronikus jegyzetek a tanszéki tanulmányi felületről.
Razavi, Behzad. Design of analog CMOS integrated circuits. 2nd edition, 2017.
Kaajakari, Ville. Practical MEMS: Design of microsystems, accelerometers, gyroscopes, RF MEMS, optical MEMS, and microfluidic systems
Korvink, Jan and Paul, Oliver. MEMS: A Practical Guide to Design, Analysis, and Applications.
14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra42
Félévközi készülés órákra14
Felkészülés zárthelyire16
Házi feladat elkészítése0
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása6
Vizsgafelkészülés30
Összesen150
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta
Dr. Takács Gábor, egyetemi adjunktus, EET
Dr. Bognár György, egyetemi docens, EET
Dr. Szabó Péter Gábor, egyetemi docens, EET
Dr. Ress Sándor, egyetemi docens, EET