Schönen guten Tag.
Ich begrüße Sie zur Fortsetzung der Vorlesung Grundlagen der
Informatik II.
Wir sind im Kapitel Schaltnetze und Schaltwerke.
Ich hoffe, Sie haben sich alle angemeldet.
Diejenigen, die an der Bonusklausur teilnehmen wollen, haben sich auch
alle angemeldet für die Bonusklausur.
Wenn auch nicht, haben Sie noch Gelegenheit, bis Ende des Monats oder
bis Ende des Jahres diese Anmeldung vorzunehmen.
Aber nachher kommt auch nochmal ein Hinweis darauf.
Letztes Mal haben wir uns beschäftigt mit einigen Schaltnetzen,
Schaltwerken.
Das war ein Bild vom Mal davor gewesen, der Addierer mit
durchlaufendem Übertrag.
Wir haben uns dann das in Animation angeschaut gehabt.
Ich habe Ihnen auch noch den Carry-Select-Adder vorgeführt, bei dem
man in der Lage ist, über den klassischen Divide-and-Conquer-Ansatz
eine Addition in logarithmischer Zeit durchzuführen und anschließend
den Carry-Lookahead-Adder, bei dem wir gesehen haben, es geht mit
einer ganz anderen Art der Darstellung von Zahlen bzw.
der Operation, die wir machen müssen, auf einmal auch tatsächlich
diese inneren sequenzielle Operation des Übertrags assoziativ zu
machen, das heißt, dass wir die in der beliebigen Reihenfolge
ausführen können, das war diese Operation auf den Generate-and
-Propagate -Signalen, eine geniale Idee, die es auch erlaubt, in
logarithmischer Zeit eine Addition auszuführen und dadurch also
wesentlich effizienter solche Operationen zu machen.
Ich hatte Ihnen dann etwas über Schaltwerke erzählt, wir hatten da
einiges angeschaut, ich hatte Ihnen diese Beispiele gezeigt, mit einem
Schaltwerk, das instabil ist, das man verwenden kann, um zum Beispiel
Taktsignale zu erzeugen, oder ein anderes, das im Prinzip einmal
eingeschaltet wird und dann immer an ist.
Wir hatten dann uns angeschaut, die Flipflops und
Registerdefinitionen, ich hatte Ihnen das RS-Flipflop vorgestellt.
Wir hatten dann gesehen, dass man das Ganze auch synchronisieren kann
mit einem Takt, dass man nur zu gewissen Zeitpunkten tatsächlich Dinge
übernimmt, wir hatten das Gleiche dann erweitert, hatten einen JK
-Flipflop angeschaut, bei dem dieser Effekt nicht auftrat, den wir bei
dem RS-Flipflop haben, nämlich die beiden unzulässigen Eingaben, für
die halt die Ausgabe leider nicht zulässig ist, weil dort dann Q und Q
-Quer beide gleich sind, was natürlich nicht sein darf.
Bei dem JK-Flipflop wurde das elegant verhindert, dadurch, dass man
die Werte zurückgeführt hat über undGatter, sodass diese Situation 1.1
an den Eingängen des RS-Flipflops niemals auftreten konnte.
Wir hatten das dann weiterentwickelt zum RS-Master-Slave-Flipflop, das
erlaubte uns dann tatsächlich so ein Verzögerungsglied zu bauen.
Und wir hatten dann das erweitert auf Register, viele Register, also
seriell einlegbarer Register, parallel einlegbarer Register, das war
ein paralleles Register hier für 8-Bit.
Im Prinzip sind Register so aufgebaut, was also die Gatter-Sicht
angeht.
Wir werden heute noch sehen, dass man das auch etwas anders machen
kann, wenn es konkret um die Hardware geht.
Ich hatte Ihnen dann nochmal gezeigt, wie man daraus Schaltwerke für
die Arithmetik bauen kann.
Zunächst mal ein Zähler, um dann bitseriell addieren zu können, damit
man zählen kann, wie oft man hier eine Addition machen muss, bis alle
Bits, die in einer Zahl tatsächlich bearbeitet sind, das heißt, bis
man hier fertig ist mit dem zyklischen Durchlauf.
Anschließend steht ja hier in dem Register A das Ergebnis drin.
Es wurde hier über einen Volladdierer mit Rückführung die Addition
durchgeführt.
Das war alles beim letzten Mal schon vorgestellt worden.
Beim letzten Mal war dann dieser bitserielle Multifizierer, der im
Prinzip hier das Addierwerk aufgegriffen hat und dann die Bits des
Operanten A verwendet hat, um festzustellen, ob man den Operanten B
nochmal etwas versetzt addieren muss oder nicht.
Wenn das eine Eins ist, muss man addieren, wenn das eine Null ist,
wird halt eine Null addiert, beziehungsweise eben gar nicht addiert.
Und genau das wurde dann hier halt über dieses einfache Schaltwerk
dargestellt.
Was dort passiert, ist auf dieser Tabelle angegeben und damit hatten
wir etwas gesehen, wie man also Schaltwerke bauen kann.
Selbstverständlich kann man multiplizieren, auch in einer etwas
effizienteren Art und Weise, das steht hier unten noch drauf, es geht
deutlich schneller.
Man kann also bis auf logarithmische Zeit runterkommen, allerdings
muss man dann sich anschauen, was für ein Modell man tatsächlich
verwenden darf.
Das Problem ist, dass Sie bei logarithmischer Zeit davon ausgehen,
dass die Laufzeit von Signalen über lange Leitungen in konstanter Zeit
erfolgt, beziehungsweise dass man die mit konstanter Zeit abschätzen
kann, als eine Konstante.
Sie haben aber in diesen Schaltkreisen für die Multiplikation in
logarithmischer Zeit sehr lange Leitungen und deswegen ist
Hochintegration eigentlich nicht mehr zulässig und dann kommen Sie
automatisch auf eine Zeit von Wurzelq, das ist realistischer, also im
Prinzip kann man unter Wurzelq eigentlich nicht kommen, aufgrund von
Leitungsverzögerungen, das geht aber über das hinaus, was wir hier in
dieser Vorlesung im Einzelnen besprechen können.
Deswegen machen wir jetzt weiter und gehen auf den nächsten Abschnitt
in diesem Kapitel, nämlich die Aspekte der physikalischen
Realisierung.
Das ist also jetzt hier ein neuer Abschnitt, der uns jetzt ein
bisschen was darüber zeigt, wie eigentlich Hardware aufgebaut wird.
Ich bekomme ab und zu mal so Äußerungen von Kollegen, die sagen, warum
muss ein Wirtschaftsingenieur überhaupt irgendetwas hören über
Hardware?
Das reicht doch, wenn der weiß, wie man Rechner nutzt.
Aber ich denke, Sie sind Leute, die sollen auch wissen, wie man
Informationstechnologie sinnvoll einsetzen kann.
Und Informationstechnologie setzt man nicht nur dadurch ein, dass man
einen Rechner irgendwie programmiert, sondern auch, dass man Hardware
baut für spezielle Anwendungen, insbesondere in industriellen
Anwendungen und eingebettete Systeme und Spezialhardware gehören halt
heute in fast jedes Produkt hinein.
Deswegen ist das eine ganz wichtige Erkenntnis, dass man weiß, wie man
Hardware bauen kann und was eigentlich das heißt, wenn Sie hören, da
ist ein mikroelektronischer Baustein irgendwo mit eingebaut.
Was ist das eigentlich, die Mikroelektronik?
Und dazu will ich Ihnen jetzt etwas erzählen.
Ich werde ein ganz bisschen was zu physikalischen Grundlagen sagen,
aber nur sehr wenig.
Das Wesentliche ist, dass man sich logische Modelle macht von der
tatsächlichen Hardware und dann sieht, welche Konsequenzen das hat für
den Aufbau von Schaltungen und wie man dann eigentlich solche
Schaltschaltungen oder Schaltnetze, Schaltwerke, die tatsächlich in
Hardware realisiert werden sollen, wie man die eigentlich
spezifiziert, sodass dann auch genau das rauskommt, was man vorher
spezifiziert hat.
Denn es muss ja am Ende auch belastbar sein, muss korrekt sein und das
ist natürlich ein ganz wichtiger Aspekt.
Schauen wir uns Halbleiterentwicklung an, das Ganze ist ein rasant
sich entwickelnde Thematik.
Es gibt integrierte Schaltungen seit, naja, jetzt, was sind das, 70
Jahre so etwa, nicht ganz, 50 Jahre, Halbleiterbauelemente, der
Transistor kam 1959 so etwa auf den Markt und wurde da entwickelt,
danach entstanden dann die Halbleiterbauelemente, ich gehe nachher
nochmal ein bisschen genauer darauf ein.
Die ersten Bauelemente, die man so hatte in Rechnern, waren ja Relais,
also in dem Zusehrechner, der erste richtige Rechner, der den heutigen
Anforderungen entspricht.
Röhren waren dann in Technologie, dann die Transistoren,
Halbleiterbauelemente und Sie sehen, die Schaltzeiten gehen also
drastisch runter.
Das Ganze hat sich noch immer weiter verändert, nicht nur die
Schaltzeiten gehen runter, auch die Größenordnung der Bauteile geht
drastisch runter, darauf kommen wir später nochmal zurück.
Wir sind heute im Bereich von Nanosekunden oder sogar Pikosekunden,
wenn es darum geht, die Schaltzeiten elementarer Bauteile zu
betrachten.
Ansonsten könnten wir nicht mit mehreren Gigahertz unsere Rechner
betreiben.
Also, das ist ein Bild eines Relais, wie sie ursprünglich verwendet
wurden, tatsächlich in den ersten Rechnern, Röhren sahen etwa so aus,
vielleicht hat jemand von Ihnen nochmal irgendwo auf dem Speicher ein
altes Röhrenradio gesehen, da sind solche Röhren auch mit drin,
ansonsten stehen die halt im Rechnermuseum in den ersten Rechnern mit
drin und das sind halt so die heutigen, da sieht man nicht mehr viel,
da sieht man nur so eine kleine Platte.
Interessanter ist es, raufzugucken, wie das tatsächlich aussieht, wenn
man also diesen Deckel hier aufmacht und dann raufguckt auf die
Elektronik, sieht es ein bisschen anders aus.
Was sind Halbleiter?
Das sind Stoffe, die eine Leitfähigkeit haben, die zwischen Metallen
und Isolatoren liegt.
Insbesondere ist es interessant, wenn man das steuern kann, dass sie
unter bestimmten Situationen hervorragende Leiter sind und in anderen
Situationen Isolatoren, also nicht leiten können.
Wenn wir so etwas haben, hätten wir einen Bauteil als Schalter und das
ist etwas, was wir haben wollen.
Beispiele für solche Materialien sind Germanium, Silizium, Gallium,
die noch geeignet behandelt werden müssen, damit man diese
Eigenschaften dann kriegt.
Und was heißt, sie werden behandelt?
Sie werden dotiert, nennt man das, das heißt, sie werden verunreinigt.
Also man hat jetzt zum Beispiel Silizium und dann wird das Ganze
verunreinigt, indem man zum Beispiel Arsen oder Indium verwendet, um
dort die Molekülstruktur oder Kristallstruktur zu verändern.
Und das eine in der Endzone, was ist hier verändert?
Sie sehen, da ist auf einmal ein anderes Molekül hier drin, das ist
ein Arsen, und das hat jetzt fünf Elektronen, eigentlich haben aber
die anderen hier alle nur vier.
Und wenn wir da ein zusätzliches Elektron haben, dann sind das
sogenannte freie Elektronen.
Stellen Sie sich einfach vor, hier ist ein anderes Element drin, das
hat eine andere Eigenschaft, da sind halt fünf Bindungsmöglichkeiten,
nur vier werden ausgenutzt, eine ist halt noch übrig.
Das sind sogenannte freie Elektronen.
Sie können das Ganze anders verunreinigen, indem Sie Indium verwenden,
dann haben Sie ein Molekül hier drin, das hat nur drei relevante
Bindungen, das heißt, da fehlt ein Elektron.
Wenn da eins fehlt, dann sagen wir, das ist ein Loch.
So, wenn das ein Loch ist, wäre gut, wenn da ein Elektron dahin kommt,
also Sie könnten ja diese freien Elektronen von dort irgendwie darüber
wandern, wenn das möglich wäre.
Und genau das macht man bei den Halbleitern.
Merken Sie sich einfach, man kann Halbleiter entweder p-dotieren, dann
habe ich einen Mangel an Elektronen, oder ich kann das n-dotieren,
dann habe ich einen Überschuss von Elektronen.
So, das nur einfach, es gibt dieses n-dotiert, p-dotiert, n-dotiert
heißt ein Überschuss an Elektronen, p-dotiert heißt ein Mangel an
Elektronen.
Und wenn ich jetzt mir anschaue, ich packe die beiden nebeneinander,
ich habe jetzt hier so eine Grenzschicht, wenn ich p und n, p-dotiert,
n -dotiert mir hernehme, und ich habe hier zu viele Elektronen, da
habe ich zu wenige, dann fließen die Elektronen von n nach p, das
heißt, der Strom fließt in die Richtung.
Andersherum, Elektronen können ja nicht von p nach n wandern, weil ja
hier ein Mangel ist, das heißt, in der Gegenrichtung kann ich keinen
Strom fließen lassen.
Und das heißt, ich habe hier auf einmal eine Diode, bei der ich in der
einen Richtung Strom fließen lassen kann, in der anderen nicht.
Das also nur ganz kurz, Hintergrund zu solchen Halbleiterbauelementen,
solche Dinge nutzt man, also diese Übergänge zwischen p und n nutzt
man in der Schaltungselektronik aus.
Und das, was ich Ihnen vor allen Dingen zeigen möchte, ist jetzt der
wesentliche Baustein für unsere heutigen mikroelektronischen
Schaltungen, der Transistor, insbesondere der Transistor, wie man ihn
in der sogenannten CMOS-Technologie verwendet.
Was CMOS ist, werden Sie gleich mal sehen.
MOS bezieht sich auf Metal Oxide Semiconductor, dahinter kommt man
noch in FET, für Field Effect Transistor, also ein Metalloxid
-Halbleiter.
Metalloxid, wir haben also hier Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt
-Transistor, wird ein Feldeffekt ausgenutzt.
Der Feldeffekt, ja, worauf wird der verwendet?
Wir haben also hier unseren im Querschnitt aufgebauten Transistor und
welche Dinge sehen wir hier?
Wir sehen unten ein Siliziumsubstrat, das leicht p-dotiert ist, wir
haben hier oben drüber einen n-dotierten Bereich, das ist ein, ich
hatte gesagt, wir können das n-dotieren mit Arsen, das heißt, hier ist
ganz viel Arsen drin, deswegen, Mikroelektronik ist was ziemlich
Giftiges, da muss man aufpassen bei der Fertigung, dass man da nichts
falsch macht, und dass man aufpasst, dass also nicht die Umwelt damit
verschmutzt wird.
Wir haben also diese grünen Bereiche hier, da sehen Sie hier einen
Bereich, der ist nicht n-dotiert, da oben drauf ist erstmal diese
graue Schicht, das ist eine Silizium-Dioxid-Schicht, diese Silizium
-Dioxid -Schicht ist eine isolierende Schicht, also keine direkte
Verbindung da, aber Feldeffekte gehen da natürlich durch, ein
Isolator, der in diesen Bereichen hier nicht vorhanden ist.
In diesen Bereichen macht das tatsächlich so, dass man zunächst mal
auf das Silizium erstmal diese Bereiche hier rein diffusieren lässt,
da kommt diese Silizium-Dioxid-Schicht oben drüber, dann werden diese
freien Bereiche wieder weggeätzt und anschließend kommt hier oben
drauf noch eine Polysilizium-Schicht.
Und Polysilizium ist etwas, was wiederum leitfähig ist, und jetzt
nennt man diese verschiedenen Bereiche Source, Drain und Gate.
Nicht zu verwechseln mit dem Gatter, was wir vorher betrachtet hatten,
das hat nichts mit den Schaltgattern zu tun, das ist ein Gate, ein
Tor, und ein Tor kann ich aufmachen oder zumachen.
Was heißt das?
Ich möchte gerne Strom fließen lassen bzw.
eine Verbindung herstellen zwischen Source und Drain, es soll Strom
fließen können.
Und zwar, also Drain ist normalerweise dort, wo die Elektronen
hinfließen und ich möchte gerne einen Potentialausgleich haben.
Was ich hier normalerweise mache, ist, dass ich mir angucke, zunächst
mal die Spannung zwischen Gate und Source.
Gate und Source.
Source ist da drauf.
Dann habe ich die Spannung zwischen Drain und Source und ich habe eine
sogenannte Schwellenspannung.
Wozu brauche ich die Schwellenspannung?
Also, wenn ich einen hohen Potentialunterschied habe zwischen Gate und
Source, dann heißt das zum Beispiel hier, nehmen wir mal an, 5 Volt,
und hier unten habe ich 0 Volt.
Dann heißt das, ich habe hier ganz viel Überschuss an Elektronen, ganz
viel Plus, und hier unten wird dann durch Feldeffekt ein sogenannter N
-Kanal induziert.
Ich gehe auf die physikalischen Hintergründe nicht viel weiter ein,
das hat was damit zu tun, was ich Ihnen vorher gerade erzählt habe,
über diese Bereiche, über die Halbleitereigenschaften, die halt dafür
sorgen, dass Elektronen wandern können.
Hier wird jetzt jedenfalls ein N-Bereich induziert, und wenn ich hier
also einen hohen Potentialunterschied habe, das ist das, was Sie sich
hier merken müssen, hoher Potentialunterschied, das ist der
Unterschied zwischen Gate und Source, also UGS, wenn ich das hier
auftrage, wenn der Unterschied 0 ist, dann habe ich hier keine
Verbindung zwischen Drain und Source.
Wenn ich die Spannung erhöhe zwischen Gate und Source, dann gibt es
irgendwann einen Punkt, bei dem ein Strom zu fließen beginnt zwischen
Drain und Source.
Das heißt, je nachdem, wie hoch hier die Spannung wird zwischen Gate
und Source, je größer sie wird, desto besser kann Strom fließen
zwischen Drain und Source, weil hier ein N-Kanal entsteht, der diese
beiden Bereiche von Drain und Source verbindet.
Wenn das verbunden ist, kann es einen Potentialausgleich geben
zwischen Drain und Source.
Und diesen Schwellwert hier, den nennt man, diese Schwellenspannung,
ist das UT.
Und das, was ich also machen muss, um diesen Transistor als Schalter
zu verwenden, ist, ich muss dafür sorgen, dass ich durch eine
Steuerung meines Gates hier erreiche, dass sich entweder der Kanal
ausbildet oder nicht.
Wenn er sich ausbildet, habe ich hier eine hohe Spannung zwischen Gate
und Source.
Also wenn ich eine hohe Spannung habe, dann bildet er sich aus, dann
habe ich eine Verbindung, Strom kann fließen zwischen Drain und Source
und andersrum, wenn ich hier keinen Potentialunterschied habe, gleiche
Spannung bei Gate und Source, dann habe ich keine Verbindung, es kann
kein Potentialausgleich stattfinden.
Das ist im Prinzip die Eigenschaft, die ich hier ausnutze.
Ich muss also sehen, dass die Spannung höher wird als diese
Schwellenspannung, dann fängt das Ganze an, sich zu verbinden und dann
kann Strom fließen.
Das ist die Eigenschaft des Metalloxyd-Halbleiter-Feldeffekt
-Transistors.
Das Ganze nennt man jetzt einen NMOS-Transistor, weil wir hier N
-dotierte Diffusionsbereiche haben.
Source und Drain liegen in diesen N-dotierten Bereichen.
Und das Wichtige ist logisch, wenn hier 1 ist und dort 0, vereinfacht,
1 kann stehen für 5 Volt, 3,5 Volt, 1,5 Volt, je nachdem, was für eine
Technologie Sie verwenden.
Ich habe einen Potentialunterschied hier, dann habe ich eine
Verbindung zwischen Source und Drain, da kann Strom fließen.
Andernfalls, wenn hier 0 steht, wenn beides 0 ist, dann kann hier kein
Strom fließen.
Das ist der Feldeffekt, den man gerne ausnutzt, diese Möglichkeit,
eine Verbindung zwischen diesen beiden Diffusionsbereichen
herzustellen durch einen Feldeffekt.
Man hat dafür ein einfaches Symbol, das einfach hier darstellt, Drain,
Source und Gate.
Und dieser Kanal, der wird eben hier so angedeutet, dass man hier so
einen kleinen Bogen da reinmalt und Gate soll halt, das ist halt hier
genau dieses Polysilizium, das dann in der Lage ist, die Verbindung zu
schalten oder sie zu sperren.
So, das ist jetzt das, was wir uns dann daran, wie gesagt, merken
müssen, dass wir hier den Transistor als Schalter verwenden können.
Wenn die Spannung zwischen Gate und Source größer als
Schwellenspannung ist, dann leitet der Kanal, andernfalls leitet er
nicht.
Und die üblichen Werte, die variieren halt je nachdem, welche
Technologie Sie verwenden.
Das geht immer weiter runter.
Je weniger Spannung Sie verwenden, desto weniger Energie brauchen Sie.
Und man will natürlich sehen, dass man möglichst wenig Energie
verwendet.
Deswegen versucht man, diese Spannung möglichst weit runterzusetzen.
Also hier die erste Schwellenspannung ist bei 1 Volt, bei 5 Volt
Technologie, dass diese Spannung zwischen Gate und Source, die waren
ursprünglich mal bei 5 Volt, sind dann auf 3,3 Volt runtergegangen,
liegen mittlerweile bei 1,5 Volt.
Und die werden sicherlich noch weiter runtergehen.
Es geht immer darum, wie kann ich diesen Effekt, diese beiden
Eigenschaften, ich habe einen leitenden Kanal oder einen nicht
leitenden Kanal, wie kann ich diese beiden Zustände ausreichend
voneinander trennen?
Und dazu brauche ich gewisse Potentialunterschiede zwischen Gate und
Source.
Ich brauche diesen Feldeffekt und man muss eben sehen, wie man
technologisch dafür sorgen kann, dass das, was ich an Spannung habe,
ausreicht, um den Feldeffekt zu erzeugen
und damit eben diese Schaltungseigenschaft dort drin zu haben.
Das, was ich als NMOS-Transistor bauen kann, kann ich in einer
symmetrischen Form auch als PMOS-Transistor bauen.
Beim PMOS-Transistor sieht das Ganze symmetrisch aus, in dem Sinne,
dass ich jetzt hier keinen NMOS oder keine N-Diffusion habe, sondern
eine P-Diffusion, also das war mit Indium rotiert.
Dann habe ich einen P-Diffusionsbereich, der ganze Rest ist gleich,
bis auf die Tatsache, dass die P-Diffusion nur Sinn macht in einer
größeren sogenannten N-Wanne.
Und damit eben diese Bereiche schön voneinander abgegrenzt sind und
ich brauche also so eine grüne N-Wanne, dann dort drinnen die gelben
Bereiche für Source und Drain, für diese Diffusionsbereiche beim PMOS
-Transistor.
Und jetzt habe ich in dem Sinne ein symmetrisches Verhalten.
Ich muss jetzt, um hier einen Feldeffekt zu erzeugen, der dazu führt,
dass ich jetzt ein P-Signal erzeugen kann, ein hier oben möglichst
negatives Potenzial haben gegenüber dem, was hier unten vorherrscht.
Das heißt, Gate-Spannung muss deutlich kleiner sein als die Source
-Spannung.
Dann habe ich den Feldeffekt in der anderen Richtung und dann kann ich
hier einen P-Kanal erzeugen.
Das heißt, in dem Fall ist es so, dass ich bei...
natürlich, wenn ich keinen Unterschied habe in der Spannung, habe ich
gar keinen Feldeffekt, dann passiert da gar nichts.
Aber wenn am Gate eine 0 anliegt und am Source eine 1, das ist dieser
Fall, dann ist die Spannung zwischen Gate und Drain kleiner als 0.
Also die Potenzialdifferenz im Prinzip zwischen Gate und Drain ist
kleiner als 0 und es entsteht dann ein entgegengesetzter Feldeffekt zu
dem, was wir vorher hatten bei dem NMOS-Transistor und wir bekommen
wieder eine Inversionsschicht unter der Oxidschicht des Gates, das ist
in diesem Fall aber ein P-Kanal.
Der Unterschied zu dem NMOS ist also, bei dem NMOS-Transistor mussten
wir eine positive Potenzialdifferenz haben zwischen Gate und Drain
oder Gate und Source.
Bei dem PMOS-Transistor eine negative Potenzialdifferenz.
Und das heißt, wenn das Gate 0 ist und Drain 1, kann Strom fließen,
dann haben wir den Feldeffekt, oder dann haben wir den Feldeffekt, der
halt den Kanal schaltet, ansonsten ist der Transistor gesperrt.
Ich werde Sie sicherlich in der Klausur nicht fragen danach, wie die
physikalischen Grundlagen sind dafür, dass dieser Feldeffekt eintritt,
das ist etwas, was nicht relevant ist für diese Vorlesung, das
verlernen Sie in Elektrotechnik, aber nicht in einer Vorlesung über
Informatik, in der wir technische Informatikaspekte betrachten.
Wichtig ist nur, sich zu merken, welche Eigenschaften der Technik wir
hier ausnutzen.
Das sind eben diese Eigenschaften, dass ich mit einer Spannung 0 am
Gate einen PMOS-Transistor leitend machen kann, ein NMOS-Transistor
hingegen ist dann sperrend und für eine hohe Gatespannung,
symbolisiert als 1, dann ist der PMOS-Transistor gesperrt und der NMOS
-Transistor ist offen.
Auch hier haben wir ein Symbol und mit dem Symbol deuten wir mit
diesem Punkt hier an, dass der Effekt, den wir an dem PMOS-Transistor
haben, genau entgegengesetzt ist zu dem Effekt, den wir an dem NMOS
-Transistor haben.
Also auch hier wieder Gate, Drain und Source.
So, und jetzt haben wir also die Möglichkeit, NMOS- und PMOS
-Transistoren aufzubauen.
Hier sind nochmal die beiden Eigenschaften dargestellt.
Komplementäres Verhalten, der NMOS-Transistor sperrt für 0 und macht
auf für 1, der PMOS-Transistor genau das Gegenteil.
Wie kann man das ausnutzen, um Schaltungen zu bauen?
Wir werden das gleich sehen.
Wie kann ich das ausnutzen?
Bei dieser einfachen Schaltung haben wir einen PMOS-Transistor und
einen NMOS-Transistor kombiniert.
Und zwar auf die Art und Weise, dass wir hier oben, das ist der PMOS
-Transistor, da ist der NMOS-Transistor.
Und hier oben steht ein VDD, D steht für Drain of Drains, das heißt,
das ist die Spannungsversorgung für unseren Schaltkreis.
Und hier unten steht Ground, das ist 0 Volt.
Das heißt, der Strom fließt von oben nach unten, die Elektronen
wandern in die Gegenrichtung, deswegen Drain of Drains, da werden die
Elektronen hingezogen.
Das ist also jetzt unser einfaches Bild von so einem kombinierten,
oder von diesen zwei Transistoren.
Jetzt habe ich hier ein Signal A und hier steht B.
Ich gucke mir also an, was passiert, wenn ich hier zum Beispiel eine 0
hinlege.
Dann kommt die 0 hier hin, die 0 kommt da hin.
Wenn dort eine 0 steht, heißt das, hier unten ist es gesperrt, da oben
ist es geöffnet, das heißt, ich habe hier eine Verbindung und ich kann
dafür sorgen, durch diesen Potentialunterschied, dass hier bei B das
gleiche Potential entsteht wie oben bei VDD.
Deswegen sagen wir, hier oben ist 1, hier bei B ist jetzt 1.
Das ist die eine Situation.
Ich kann einen Potentialunterschied ausgleichen dadurch, dass dieser
PMOS -Transistor geöffnet ist und nach unten zu Ground ist alles zu.
Gate 0 heißt, hier ist der NMOS-Transistor gesperrt.
Jetzt kommt die andere Situation.
Wir haben jetzt hier eine 1, dann kommt die 1 dahin und dorthin und
jetzt öffnet der NMOS-Transistor.
Wir können also hier einen Potentialausgleich herstellen und dieser
hier nach oben, der PMOS-Transistor, ist gesperrt.
Und das heißt, das, was vorher hier ein Potential war, was wir gerade
vor mit der 0 dorthin gebracht haben, das fließt jetzt nach unten ab.
Wir kriegen also dieses B auf das Potential von Ground, das heißt,
hier kommt jetzt eine 0 hin.
Und nach oben ist es zu.
Und das heißt, wenn hier eine 1 steht bei A, die an die beiden Gates
von dem NMOS- und dem PMOS-Transistor weitergeleitet wird, dann öffnet
eben nur einer von den beiden, weil die ein komplementäres
Schaltverhalten haben.
Und das heißt, ich habe den Ausgang meiner Transistorschaltung immer
entweder verbunden mit Ground oder mit VDD.
Aber es ist im Prinzip niemals VDD mit Ground verbunden.
Bis auf, also hier kann natürlich manchmal etwas fließen, wenn das A
so etwa 0,5 wäre.
Also zwischen 0 und 1.
0,5 ist natürlich Quatsch.
Also wenn es zwischen 0 und 1 liegt, es ist nicht mehr 0, aber noch
nicht 1.
Und Sie wissen, damit ich von dem Signal 0 auf 1 gehen kann, gehe ich
ja nicht spontan, sondern das ist ja so ein längerer Prozess, die
Spannung wird erhöht.
Das heißt, irgendwann zwischendrin öffnet schon der NMOS-Transistor
und der PMOS-Transistor geht allmählich zu.
Aber für diese Zeit, wo ich hier so zwischen den beiden Zuständen bin,
da habe ich hier ein ganz bisschen Stromfluss dazwischen.
Aber das ist nur relativ wenig.
Aber das heißt auch, dass ein solcher Schaltelement, das wir hier
haben, was natürlich ein Inverter ist, das haben Sie gesehen, 1 wird
auf 0 transformiert, 0 auf 1 transformiert, also ein Inverter, dieser
Schaltgatter -Inverter verbraucht keinen Strom, verbraucht keine
Energie, solange ich das Signal hier vorne konstant lasse.
In dem Augenblick, wo ich von 0 auf 1 übergehe oder von 1 auf 0, dann
habe ich diesen Effekt und für einen kleinen Augenblick fließt Strom.
Das heißt, für einen kleinen Augenblick wird hier Energie verbraucht,
fließt Strom durch von VDD nach Ground.
Wenn ich jetzt viele Schaltvorgänge habe, viele Änderungen von 0 auf
1, habe ich einen hohen Stromverbrauch.
Aber wenn ich da nichts mehr ändere dran, habe ich gar keinen
Stromverbrauch, dann ist das Ganze konstant.
Das heißt, insgesamt ist der Stromverbrauch nicht sehr hoch, nur wenn
ich ganz viel schalte, wird es näher.
Und deswegen werden Schaltkreise ziemlich warm, wenn Sie ganz viel
Rechenoperationen ausführen, wenn Sie ganz viel schalten, wenn da aber
nichts weiter passiert, wenn die Werte da drin sich alle nicht mehr
verändern, dann kühlt er ab.
Dann wird kein Strom verbraucht.
Wir werden gleich noch sehen, wie man daraus etwas anspruchsvollere
Schaltkreise baut.
Das ist also hier das einfachste Schaltelement, damit können wir also
einen Inverter realisieren.
Das Negationsglied.
Hier oben steht jetzt noch ein bisschen was, hier steht NMOS
-Technologie und CMOS-Technologie.
NMOS-Technologie ist eine Art Technologie, die man eine Zeit lang
verwendet hat, zu Beginn der Mikroelektronen, also der
höchstintegrierten Schaltungen.
Da hat man nur NMOS-Transistoren verwendet.
Macht man aber nicht mehr.
Jetzt verwendet man immer beides.
Und deswegen CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor
Technologie.
CMOS, also sowohl NMOS als auch PMOS.
Und zwar hat man PMOS, also die PMOS-Transistoren immer hier oben,
bzw.
ich schreibe das mal hier hin, PMOS-Transistoren gehören immer zu VDD
und NMOS-Transistoren gehören immer zu Ground.
Warum?
Weil ich halt die Verbindung zu Ground nur herstellen kann über einen
NMOS -Transistor.
Weil der kann nur die Verbindung herstellen, dadurch, dass ein
Potentialunterschied da ist, zu dem Gate.
Das heißt, ich muss hier einen NMOS-Transistor haben.
Wenn ich aber einen Wert VDD brauche, also Wert 1, dann muss ich PMOS
-Transistoren verwenden, weil ich nur für PMOS-Transistoren einen
Potentialunterschied hinbekomme zwischen 1 und 0.
Das heißt, ich habe dann eine Verbindung zu VDD, deswegen sind die
PMOS -Transistoren immer verbunden mit VDD und die NMOS-Transistoren
immer verbunden mit Ground.
Und in der Mitte zwischen den beiden haben wir dann unser
Ausgangssignal für dieses Schaltelement.
Darauf kommen wir gleich noch.
Die Gatter-Schaltzeiten, also dafür, dass man hier von einem auf den
anderen Zustand kommt, dass hier sich die Kanäle ausbilden und so
weiter, diese Zeit dafür liegt also mittlerweile deutlich unter 0,5
Nanosekunden, also Pikosekundenbereich.
Und das geht noch weiter runter.
Sie können sich aber auch vorstellen, wenn ich ganz kurze, ganz kleine
Schaltzeiten habe, kann ich pro Sekunde auch mehr Schaltvorgänge
durchführen.
Wenn ich also so wahnsinnig viele Schaltvorgänge durchführen kann pro
Sekunde, heißt das auch, der Energieaufwand wächst.
Sie können also, wenn die so richtig am Arbeiten sind, können Sie
darauf ein Ei brutzeln.
Die würden also richtig heiß werden.
Weil Sie halt so viele Schaltungen machen, weil für jeden
Schaltvorgang kann hier Strom fließen.
Also Stromverbrauch ist ein wichtiger Punkt bei Mikroelektronik.
Und Sie wissen, dass Informationsverarbeitung mittlerweile durchaus
einige Prozent des Weltenergieverbrauchs beansprucht.
Allerdings auch dafür sorgt, dass durch Einsatz von
Informationsverarbeitung der Energieverbrauch in anderen Bereichen
sinkt.
Und dieser Effekt ist bisher immer noch größer gewesen als der Effekt
des zusätzlichen Energieverbrauchs durch Informationsverarbeitung.
Trotzdem muss man sich damit beschäftigen.
Und wo ich das jetzt hier anspreche, man muss also sehen, dass man
Green IT verwendet.
Also ein Schlagwort Green IT wäre also möglichst stromsparende
Informationsverarbeitung.
Und dann gibt es noch eine Variante Green by IT und das wäre der
intelligente Einsatz von Informationsverarbeitung in anderen
Technologien.
Zum Beispiel bei der Steuerung von Energiesystemen oder auch bei der
Fertigungssteuerung und ähnlichen Dingen.
Also Vielfalt von Themen, die man hier ansprechen kann auf Basis
dieser Technologien.
Ich muss Ihnen noch ein bisschen mehr natürlich dazu erzählen.
Das hatte ich Ihnen ja schon alles erzählt.
Wir müssen uns jetzt noch mal ein bisschen mehr anschauen.
Auch diese Bemerkung hatte ich gerade eben gemacht.
Dadurch, dass der NMOS-Transistor die Null übertragen kann, das heißt
mit Ground verbunden sein kann und mit der VDD eigentlich nicht
wirklich sinnvoll einen Potentialausgleich hinkriegen kann, hat man
eben immer diese Eigenschaft PMOS immer an VDD, NMOS immer an Ground
angeschlossen.
Jetzt schauen wir uns ein paar weitere Elementarschaltungen an.
Und zwar zeige ich Ihnen hier eine sehr einfache Schaltung, die auch
typisch ist für die Art, wie wir solche Schaltungen aufbauen.
Ich hatte Ihnen ja gesagt, NMOS immer in Verbindung mit Ground, PMOS
immer in Verbindung mit VDD.
Jetzt wollen wir ein NAND aufbauen.
Ein NAND, was war das noch mal schnell?
A, B und hier steht das NAND.
Dann haben wir hier unsere 00, 01, 110 und 11.
Das steht dann hier als Ergebnis bei einem NAND, also UND wäre ja nur
1 hierfür, das heißt hier hätten wir jetzt 0 und ansonsten 111.
So, das wäre das NAND.
Das UND ist nur 1 bei 11 und 0 sonst, das NAND hat genau die
gegenteilige Eigenschaft.
Wie kann ich das jetzt hier darstellen mit dieser Schaltung?
Wir müssen also gewährleisten, dass nur für den Fall, dass beide Werte
A und B 1 sind, am Ausgang, nämlich hier,
muss dafür sorgen, dass an diesem C nur dann eine 0 auftaucht, wenn
sowohl A als auch B den Wert 1 haben.
Wenn A 1 ist, haben wir hier einen durchleitenden Transistor, wenn B 1
ist, haben wir da einen durchleitenden Transistor, das heißt insgesamt
haben wir hier eine Verbindung, wenn hier 1 ist und dort 1, dann haben
wir hier die Verbindung, C geht auf 0.
Offensichtlich funktioniert das.
Hier oben, die beiden PMOS-Transistoren werden für den Wert 1 jeweils
sperren, es ist keine Verbindung da zu VDD, C geht ganz gemütlich auf
0.
Für den anderen Fall, also wenn hier einer der beiden Werte gleich 0
ist, dann heißt das, dass entweder dieser Transistor oder dieser
Transistor sperren wird und entweder dieser oder dieser werden
durchleitend sein.
Das heißt, es reicht, dass einer dieser beiden Transistoren leitet,
das macht er dann, wenn mindestens einer der beiden Variablen auf 0
ist, dann, wenn wir hier also 0 haben und dort auch 0, dann würden sie
beide leiten, dann hätten wir hier den Wert 1.
Und wenn nur einer von den beiden 0 ist, haben wir immer noch einen
Weg, über den dieser Potenzialausgleich zwischen VDD und C erfolgen
kann, dann haben wir dort den Wert 1 stehen, also gleiches Potenzial
wie VDD.
Sie sehen, ganz einfach, komplementär aufgebaut, wir haben hier oben
in diesem Bereich eine Parallelschaltung von Transistoren, hier unten
haben wir eine Serienschaltung von Transistoren und damit haben wir
genau diesen Effekt erreicht.
Das Ganze kann man auch machen für ein NOR, dann haben wir genau das
Gespiegelte.
Beim NOR wollen wir eine 1 haben, nur für den Fall, dass beide Werte 0
sind.
Also wenn A 0 und B 0 ist, dann werden beide Transistoren hier
leitend.
Das Potenzial von VDD kann sich mit dem von C ausgleichen, wir haben
hier dann den Wert 1.
Und für alle anderen Fälle ist das hier gesperrt und dann ist entweder
dieser oder der Transistor offen, also wenn hier eine 1 ist zum
Beispiel oder da eben eine 1, dann haben wir hier nicht mehr eine 1,
sondern dann geht das auf 0.
Weil dann einer dieser Wege Verbindung mit Ground geschaltet wird und
dann können wir also hier eine Verbindung herstellen zu C, das Ganze
geht auf 0.
Auch hier wieder ein komplementäres Verhalten, wir haben oben eine
Serienschaltung von PMOS-Transistoren, die halt nur dann öffnen, wenn
beide PMOS-Transistoren in Serie geöffnet sind, also leitend sind.
Und hier unten haben wir eine Parallelschaltung von NMOS-Transistoren,
Verbindung zu Ground wird hergestellt, wenn einer der beiden halt
einen leitenden Kanal hat.
Wenn Sie jetzt sagen, Sie wollen eigentlich gar nicht NAND oder NOR
verwenden, obwohl Sie ja wissen, aus NAND- und NOR-Bausteinen können
Sie jede andere Schaltung, jede andere Funktion erzeugen, also
eigentlich brauchen Sie gar nicht mehr als NAND oder NOR, aber wir
wollen vielleicht doch direkt irgendeinen UND-Gatter oder ODER-Gatter
oder XOR oder ähnliches erzeugen, dann muss man halt sehen, wie man
zum Beispiel aus einem NAND ein AND macht.
Die einfachste Art und Weise wäre, ich mache mal hier die Annotationen
weg, die einfachste Art und Weise, das zu machen, ist doch, ich nehme
mir hier diesen Ausgang, das C, und nehme das einfach als Eingang für
einen Inverter.
Und hier, da kommt dann gerade C quer raus.
Und C quer, wenn C ein NAND ist, ist das natürlich ein AND.
Also auf die Art und Weise können Sie einfach einen NAND-Baustein
verwenden, Sie negieren das Signal und haben dann einen AND-Baustein,
einen UND-Gatter.
Das heißt, das hier insgesamt wäre jetzt ein UND-Gatter.
NAND-Gatter ist also einfacher zu realisieren als ein UND-Gatter,
obwohl das vorher so aus war, dass Sie ein NAND-Gatter sich
produzieren durch Negation eines, also Verbindung eines UND-Gatters
und eines Negationsgliedes.
Technisch realisiert ist NAND einfacher als ein AND, wenn man es in
CMOS -Technologie realisiert.
Das also zu solchen Schaltungen.
Und man kann das Ganze auch noch anders bauen.
Man kann also die Transistoren oder diese Technologie auch anders
einsetzen.
Zum Beispiel hier habe ich das horizontal gemalt, weil ich hier auf
einmal keine Verbindung zu VDD und Ground habe.
Vorher war das immer Verbindung zu VDD und Ground gemacht worden.
Jetzt habe ich hier auf einmal die Transistoren in so eine Leitung
reingemalt.
Und zwar eine Kombination eines NMOS-Transistors hier unten.
Das ist der NMOS-Transistor, da habe ich den PMOS-Transistor.
Und Sie sehen, hier steht ein Phi dran und ein Phi quer.
Dort, da oben.
Wir haben ein Phi und ein Phi quer.
Das heißt, wenn Phi gleich 1 ist, ist Phi quer gleich 0.
Wenn Phi gleich 1 ist, dann weiß ich, der NMOS-Transistor bekommt
einen leitenden N-Kanal.
Phi quer ist dann 0, das heißt, der PMOS-Transistor bekommt einen
leitenden P-Kanal.
Und jetzt habe ich je nachdem, wenn das A den Wert 0 hat, dann werde
ich also für 0 eine gute Übertragung dieses Signals hinbekommen.
Dann habe ich die Potentialdifferenz zwischen Phi und 0.
Und ich bekomme eine Übertragung hier rüber und B wird auch 0.
Wenn aber hier keine 0 steht, sondern eine 1, dann, da das Phi quer 0
ist für den Fall, werde ich die 1 über den Weg übertragen.
Und habe dann hier drüben auch eine 1 stehen.
Das heißt, über ein sogenanntes Transfer-Gatter, eine Verbindung eines
NMOS - und eines PMOS-Transistors, kann ich erreichen, dass ich, egal
ob A den Wert 1 oder 0 hat, ich immer dafür sorgen kann, dass entweder
über den N-Kanal oder den P-Kanal entsprechend das Potential von A und
B ausgeglichen werden kann.
Das heißt, der Wert von A wird auf B übertragen.
So, das wäre jetzt eine Möglichkeit, wie ich einen Wert übertragen
kann.
Das heißt, wir hatten ja mal sowas uns angeguckt, wir wollten gerne so
Speicherelemente haben, die ich verwenden kann, um Werte zu verzögern
oder auch dann anzuhalten.
Also wenn ich davon jetzt mehrere nacheinander nehmen würde, also
jetzt hier hätte ich einmal so einen Baustein und dann hier nochmal so
einen Baustein und nochmal so einen Baustein und hier natürlich
entsprechend jeweils PMOS-Signal und hier da das entsprechend NMOS
-Transistor.
Und ich schaue mir an, ich habe jetzt also hier mehrere Stufen so
einer Signalübertragung.
Und ich schaue mir an, hier kommt ein A rein, da kommt ein A' raus, da
kommt ein A' raus, da kommt ein A' raus.
Und ich fange hier an mit einer 1.
Ja, was passiert, ich mache mal besser eine 0 hin, damit das nicht mit
diesen Strichen in Verwechslung kommt.
Also ich habe hier den Wert 0.
Das heißt, wenn ich mir das A' anschaue und ich male jetzt hier auf
die Werte, die hier entstehen, das, was hier an Potenzial da ist, da
ist ja von früheren Übertragen noch irgendetwas vorhanden, ich kann
einen Potenzialausgleich herstellen.
Aber ich habe immer einen gewissen Verlust, wenn hier Strom hin und
her fließt.
Das heißt, ich kann, wenn hier das A' auf 1, auf einem hohen Potenzial
gewesen ist und jetzt kommt hier ein Signal A an, kriege ich das
einigermaßen runter auf 0.
Aber hier war ja auch noch eine 1, das muss ja auch noch hier rüber
wandern.
Das kriege ich schon nicht mehr ganz so gut auf 0.
Und dieses Signal kriege ich auch nicht mehr ganz so gut auf 0.
Das heißt, die Qualität des Signals bei einer Folge von solchen
Transfergattern wird immer schlechter.
Und eine andere Idee ist, ich nehme hier mein A und jetzt könnte ich
ja sagen, oder ich könnte das ja auch so machen mit meinen Invertern.
Das wäre auch eine Möglichkeit.
Ich habe hier einen Inverter und jetzt schaue ich mal, was da
rauskommt.
Da kommt aber nur A quer raus, das negierte.
Allerdings mit einer hervorragenden Qualität, weil nämlich die
Verbindung nach VDD, wenn A gleich 0 ist, perfekt ist.
A quer wird genau den Wert 1 bekommen, genau das gleiche Potenzial wie
VDD.
Also ein marginaler Verlust ist hier auf dem Weg, aber das ist nicht
sehr schlimm.
Und andersrum genauso, wenn ich hier also nach Ground verbinde, habe
ich auch hier die Verbindung.
Das könnte ich natürlich sagen, ich will ja aber eigentlich den
gleichen Wert am Ausgang haben.
Dann müsste ich hier nochmal einen Inverter dahinter legen und hätte
dann hier mit einer Folge von zwei Invertern, hätte ich am Ende wieder
das Signal A dort stehen.
Das wäre also eine andere Art, wie ich jetzt einen Wert A irgendwie
über mehrere Stufen übertragen kann.
Nur hier habe ich halt immer einen sehr guten Wert am Ende stehen,
während ich hierbei, allerdings auch mit weniger Transistoren, etwas
weniger oder etwas Verlust habe.
Und deswegen kann man eine solche Folge von sogenannten
Transfergattern nicht beliebig lang machen.
Wir könnten also, wenn wir hier Phi, Phi' und Phi' als Signale hätten,
um das Ganze zu steuern, hätten wir hier zwar so eine Folge von drei
Verzögerungsstufen, ähnlich wie so ein Schieberegister, wo ein Wert
durchläuft, aber das funktioniert nicht so gut.
Was man jetzt macht, ist, dass man diese beiden Möglichkeiten
miteinander verbindet.
Denn hier habe ich Phi, Phi' und Phi'', die kann ich auf 1 setzen oder
auf 0 setzen.
Wenn Phi auf 0 ist, ist das völlig gesperrt.
Wenn Phi auf 1 ist, ist das Ganze geöffnet.
Also Phi auf 0 heißt, es wird gar nichts übertragen.
Und Sie erinnern sich, wir wollten doch synchrone Schaltwerke bauen,
die wir takten können.
Offensichtlich ist dieses hier, dieses Transfergatter eine
Möglichkeit, ein Signal anzuhalten.
Wenn ich Phi auf 0 setze, dann läuft hier kein Signal weiter.
Wenn ich Phi auf 1 setze, läuft es durch, aber es wird eventuell
abgeschwächt.
Wenn ich so eine Folge von Invertern nehme, läuft das Signal durch,
ich habe hier aber kein Taktsignal drin, ich habe keine Möglichkeit,
das abzuschalten.
Das läuft hier einfach durch.
Also verbindet man die beiden Dinge.
Dann wird daraus ein Verzögerungsglied, bei dem wir ein Transfergatter
nehmen, geschaltet mit Phi''.
Sie erinnern sich an mein Bild von der Schleuse.
Sie haben hier eine Schleuse, wo Sie ein gewissen, mit Draufsicht,
einen Höhenunterschied überwinden wollen.
Sie machen einmal die Schleuse auf, lassen ein Signal hier reinlaufen,
machen dahinter zu, machen dieses Tor auf und dann kann das Signal
rauslaufen.
Also wenn hier ein A reinkommt, über dieses Transfergatter, kann ich
für Phi' gleich 1 dafür sorgen,
ich synchronisiere das Ganze mit einem nicht überlappenden 2-Phasen
-Takt.
Ich setze Phi' auf 1, dann ist natürlich Phi' quer auf 0 und
andersherum.
Dann wird, wenn Phi' gleich 1 ist, dieser Wert von A hierhin
übertragen.
Hier kommt A quer raus, nach einer kurzen Verzögerung bestimmt durch
die Schaltzeit des Transistors.
Dann setze ich etwas später Phi' auf 1 und dann kann der Wert hierhin
übertragen werden und es kommt hier A raus.
Jetzt habe ich also ein Schaltelement insgesamt, das ich als
Verzögerungselement verwenden kann, getaktet durch zwei Signale, Phi'
1 und Phi' 2, nicht überlappend.
Ich muss also dafür sorgen, zuerst Phi' 1, dann läuft das Signal rein,
dann Phi' 2 und jetzt läuft das Signal raus.
Sie erinnern sich bei unserem Master-Slave-Flip-Flop.
Da hatten wir so zwei Bauteile nacheinander und die waren durch ein
Takt -Signal gesteuert, das da reinging und hier aber hier negiert
war.
Das heißt, dort war es so, dass dieses eine Takt-Signal das erste
aufgemacht hat, das zweite zu und umgekehrt.
Das ist eine andere Art der Taktung mit einem Takt-Signal.
Hier haben wir zwei Takt-Signale, Phi' 1 und Phi' 2, nicht
überlappend, sodass ich also, ich muss dafür sorgen, dass ich das
erstmal aus A, A quer werden kann und dann mache ich Phi' 2 auf zu 1
und dann kann hier das A am Ende rauskommen.
Das heißt, hier habe ich jetzt ein solches Gatter.
Das ist im Prinzip unser Verzögerungselement, das sogenannte D-Flip
-Flop.
Jetzt überlegen Sie mal zurück, bei dem D-Flip-Flop, das war ein
Master - oder bei dem D-Verzögerungs-Gatter, das war ein Master-Slave
-Flip -Flop.
Ein Master-Slave-Flip-Flop.
Da ging hier ein Wert rein, da hinten kommt ein Wert raus.
In diesen getakteten RS-Flip-Flops da drin, tauchten jeweils zwei
NANDs auf.
Getaktet oder Und-Gatter.
Und-Gatter wissen wir, können wir über NAND und ein Inverter erzeugen.
Zählen Sie mal die Anzahl der Gatter, die Sie kriegen, wenn Sie hier
so einen Master-Slave-Flip-Flop verwenden, also die Anzahl der Gatter,
und überlegen Sie dann, wie viele Transistoren Sie brauchen, um die
Gatter zu realisieren, durch Transistorschaltungen.
Das kommt auf eine sehr große Zahl von Transistoren.
Und auf einmal haben wir hier einen Baustein entwickelt, der die
gleichen Eigenschaften hat, fast die gleichen Eigenschaften.
Er hat nicht ein Takt-Signal, sondern hat zwei, 4-1 und 4-2.
Und wir haben nur insgesamt vier Transistoren für die beiden Inverter,
vier Transistoren für die beiden Transfer-Gatter, also acht
Transistoren hierfür, und Sie haben hier schon, ich hatte gesagt, eine
ganze Reihe von Gattern, Elementar-Gattern, und jedes Elementar-Gatter
wird durch entsprechend, Sie hatten für das NAND-Gatter bereits vier
Transistoren, das heißt, der Aufwand hier ist deutlich höher.
Warum macht man das überhaupt?
Warum macht man erst diesen Umweg über diese Gatter?
Stellen Sie sich vor, Sie machen einen ganz strikten Top-Down-Entwurf,
Sie haben Ihre Schaltung entworfen, Funktionen aufgeschrieben, Sie
haben sich Ihren bulschen Ausdruck dafür erzeugt, der diese
Schaltungstabelle, die Wertetabelle, umsetzt.
Dann machen Sie aus dieser Schaltungstabelle, oder Quatsch, aus dem
bulschen Ausdruck, den Sie hier haben, um das alles zu beschreiben,
wissen Sie, da sind jetzt Und- und Oder-Gatter und so weiter drin, und
dann können Sie die jeweils durch Transistoren realisieren.
Dann kommen Sie auf einen sehr hohen Aufwand an Transistoren.
Logisch ist es sinnvoll, das so zu machen.
Tatsächlich muss man aber sehen, dass man die Funktion solcher
Bausteine direkt durch Transistorschaltungen realisiert.
Das heißt, man schaut sich einfach nur die Funktionen in der Schaltung
an, und man wird also nicht jetzt ein Schalt- oder ein
Verzögerungselement zunächst mal über diese Gatter-Schaltbilder
aufbauen und dann durch Transistoren realisieren, sondern man macht
das hier direkt.
Also wenn man das kann, wenn man Transistorschaltungen findet, die
deutlich effizienter sind als ein so hierarchischer Entwurf über die
Gatter -Schaltbilder hinweg, dann macht man das natürlich effizienter.
Das also zu solchen Schaltelementen.
Sie können natürlich dann Schieberegister oder irgendwelche Register
durch Kombination solcher Verzögerungsglieder realisieren.
Und jetzt gibt es hier noch sogenannte dynamische und statische D
-Latches.
Was hat das jetzt damit auf sich?
Wenn Sie einen Flip-Flop bauen, das einen Wert halten soll, also Sie
wollen etwas speichern, dann gibt es eine Technologie, also eine
Realisierung einer Speicherzelle, die dynamisch ist, das heißt in dem
Augenblick, wo Sie etwas auslesen, ist der Wert nicht mehr
gespeichert.
Sie holen praktisch den Wert raus aus der Zelle, das ist bei der
dynamischen Speicherzelle der Fall, beim dynamischen D-Latch,
beziehungsweise bei dem dynamischen Speicherelement.
Bei dem statischen sorgt man dafür,
dynamisch wird durch Lesen verschwunden und statisch heißt, Wert
bleibt erhalten.
Und tatsächlich ist es so, dass man eine statische Speicherzelle
dadurch erzeugt, dass man eine dynamische Speicherzelle nimmt und den
Wert wieder auffrischt.
Das heißt, eine statische Speicherzelle hat deutlich mehr
Hardwareaufwand als eine dynamische.
Da ich aber nicht extra wieder etwas reinschreiben muss, ist die
statische Speicherzelle deutlich schneller.
Also dynamisch, ich schreibe mal hier D hin und statisch.
Dynamisch ist langsam, statisch ist schnell und dynamisch ist klein
und statisch ist, ich sage mal, größer.
Warum sage ich Ihnen das?
Wenn Sie Speicherzellen bauen, brauchen Sie solche Speicherelemente
und Sie wollen natürlich gerne, dass Werte im Speicher erhalten
bleiben.
Wenn Sie also wenig ausgeben wollen für einen Speicher, dann bauen Sie
einen mit dynamischer Technologie.
Also dynamisch ist aber relativ langsam, ist aber billig.
Wenn Sie einen schnellen Speicher brauchen, müssen Sie mehr
investieren.
Dann haben Sie einen statischen Speicher.
Sie haben vielleicht schon mal gesehen, dass man im Rechner so etwas
hat wie ein SDRAM.
Das S hier vorne steht für statisch.
Die schnellen Speicher im Rechner, das sind Caches und ähnliches, sind
aus statischen Bauelementen gebaut.
Der Hauptspeicher, der ist preiswerter, ist aus den dynamischen
gebaut, deswegen langsamer.
Das hat etwas zu tun mit der Technologie, die man verwendet.
Statisch geht schnell, braucht Platz, ist teurer.
Dynamisch ist langsamer, weil ich wieder reinschreiben muss.
Ich muss den Wert nochmal wieder anschließen, reinschreiben.
Aber ich brauche weniger Transistoren, fast die Hälfte der
Transistoren.
Insofern habe ich hier einen deutlichen Unterschied.
Und deswegen ist statischer Speicher, ein Cache, deutlich teurer als
ein Hauptspeicher.
Er ist allerdings etwa Faktor 10 schneller.
Das heißt, Sie haben normalerweise einen relativ kleinen, sehr
schnellen Speicher.
Das ist der Cache, darauf kommen wir später noch.
Sie haben einen durchaus recht großen Hauptspeicher, der ist aber eben
mit dynamischen Speicherzellen aufgebaut.
Je nachdem, was Sie also finden in der Spezifikation der Speicher,
wobei Sie da noch alle möglichen anderen Buchstaben abkürzen drin
haben, die für verschiedene Varianten von Technologien noch stehen,
haben Sie also diese unterschiedlichen Eigenschaften.
Das also nur kurz als Erklärung, warum ein statischer Speicher teurer
ist, als ein dynamischer Speicher.
Und der dynamische Speicher eher im Hauptspeicher verwendet wird, und
der statische Speicher eher für Cache.
Und deswegen ist der Cache normalerweise kleiner als der
Hauptspeicher, weil das einfach teurer ist.
Und deswegen versuchen die Billighersteller, den Cache möglichst klein
zu machen, weil sie damit Geld sparen.
Allerdings ist dann auch die Leistungsfähigkeit des Rechners deutlich
geringer, das werden wir später noch sehen.
Das also ganz kurz, das ist der Bereich, wie wir prinzipiell solche
Transistorschaltungen aufbauen.
Und jetzt wollen wir natürlich solche Schaltkreise systematisch
entwerfen.
Als Ingenieure brauchen wir dafür Entwurfsmethoden, Entwurfswerkzeuge
möglichst.
Es gibt verschiedene Arten, solche Schaltkreise zu entwerfen.
Und ich sagte Ihnen, das Ganze ist so etwas Ähnliches wie so ein
Lithografieprozess, wie so ein Druckprozess, ja, es sind auch
gedruckte Schaltungen.
Da werden einfach Maskenbereiche spezifiziert, und das zu
spezifizieren ist ein grafischer Prozess.
Und dieser grafische Prozess, zunächst mal die Schaltung zu
spezifizieren, konkret zu sagen, welche Dimensionen die einzelnen
Leitungen, die einzelnen Bereiche auf so einem Schaltkreis haben
sollen, das macht man mit einem Werkzeug, das ist ein reines
Grafikwerkzeug.
Und mit diesem Grafikwerkzeug dürfen Sie verschiedenfarbige Rechtecke
zeichnen.
Die haben eine bestimmte Bedeutung.
Blau steht immer für Metall, Rot steht immer für Poly, Sie erinnern
sich an mein Bild, Querschnitt von einem Transistor, das Polysilizium
war rot gemalt.
Grün, Standardfarbe für N-Diffusion.
Dann haben Sie hier noch so eine extra Farbe, das ist ein Kontakt.
Und zwar ein Kontakt zwischen Metall und N-Diffusion.
Das waren Drain und Source.
Also hier würde ich im Prinzip VDD hinschreiben, hier schreibe ich
Ground hin, hier schreibe ich Gate hin.
Und da sehen Sie, da läuft noch eine Metallleitung über diesem grünen
Bereich hinweg, da ist aber kein Kontakt angegeben, das heißt, da ist
keine Verbindung da.
Das kann da ruhig rüberlaufen.
Metall über Metall, naja, da müssen Sie schon aufpassen.
Man kann also eine gewisse Anzahl von Leitungen übereinander machen,
Sie dürfen also auch manchmal sich Metallleitungen kreuzen lassen.
Aber möglichst nicht zu viele.
Also Sie dürfen in der Regel, haben Sie so ein, zwei Schichten,
heutzutage geht man sogar auf noch mehr Schichten, man geht sogar auf
Schaltkreise, die haben mehrere solche Ebenen, in denen Sie
Transistoren übereinander anordnen können.
Wenige Schichten, Transistoren übereinander, das heißt, dann haben Sie
eine dreidimensionale Technologie.
Das Problem ist nur, wie Sie die Wärme da rauskriegen.
Die Wärme entsteht hier, wenn da Strom durchfließt.
Und das heißt, die Wärme muss dann irgendwie raus, deswegen sind die
normalerweise mit irgendwelchen Schichten versehen, durch die dann
irgendwie Wasser strömen kann, oder durch die Sie auf irgendeine Art
und Weise die Wärme wieder abführen können.
Dreidimensionale Technologien sind deswegen schwierig, weil Sie dafür
sorgen müssen, dass die bei zu häufigen Schaltvorgängen halt nicht zu
warm werden, Sie müssen dafür sorgen, dass die Wärme wieder abgeführt
werden kann.
Das aber jetzt ist also der Full-Custom-Entwurf, deswegen Full-Custom,
weil Sie hier als Entwerfer vollständig frei sind in der
Dimensionierung Ihrer Rechtecke, unter Beachtung gewisser Regeln, die
zum Beispiel sagen, dass ein solches Gate hier, also dieses Gate,
diese Polysilizium-Schicht muss eine gewisse Mindestbreite haben,
damit also nicht, dass von vornherein verbunden ist miteinander, hier
die beiden grünen Diffusionsbereiche.
Und außerdem müssen Sie hier eine gewisse Überlappung haben, Sie
müssen noch über den grünen Bereich hinausgehen, andernfalls könnte ja
der grüne Bereich direkt verbunden werden, das darf auch nicht
passieren.
Und Metallleitungen haben gewisse Breiten, die erforderlich sind, und
Sie dürfen die auch nicht beliebig dicht nebeneinander malen.
Sie haben gesehen, ich male die gar nicht so ganz gerade.
Gute CAD-Werkzeuge malen die gerade.
Wenn Sie aber bei guten CAD-Werkzeugen gucken im Nanometerbereich,
dann sehen die Leitungen irgendwie so aus.
Wenn das die eine Leitung ist und das hier ist die andere, das ist
also jetzt die eine Leitung, das ist die andere Leitung, dann können
Sie sich vorstellen, es kann auch passieren, dass die gerade irgendwie
zusammenlaufen, wenn sie nicht ganz gerade gemalt sind.
Und deswegen gibt es Mindestabstände, also wenn das hier eine Leitung
ist und das ist die andere Leitung, dann gibt es hier Mindestabstände,
die einzuhalten sind.
Und wenn Sie einen Kontakt bauen zwischen Metall und Enddiffusion,
können Sie sich vorstellen, da muss Metall an Diffusion, da brauchen
Sie auch einen gewissen Platz.
Auch das muss man berücksichtigen.
Das heißt, diese ganzen Bereiche, diese ganzen Arten, wie hier jetzt
die verschiedenen Rechtecke überlappen dürfen und wie groß sie sein
müssen, das sind Entwurfsregeln.
Wenn Sie die beachten, das kann man durch geeignete Werkzeuge alles
überprüfen, können Sie also hier genau festlegen, wo irgendwelche
Leitungen angeordnet sind, Sie können genau sagen, von wo nach wo auf
Ihrem Chip ein Signal laufen soll.
Das bringt Spaß, solche Sachen zu malen, damit können Sie also jetzt
Schaltungen bauen.
Das Ganze können Sie natürlich auch machen, um einen PMOS-Transistor
zu bauen, wobei beim PMOS-Transistor habe ich jetzt hier eine, ich
weiß gar nicht, warum ich das immer wieder vergesse, ich muss das
eigentlich noch schnell dazu malen, ich brauche natürlich hier einen
grünen Bereich außenrum, muss natürlich dafür sorgen, dass ich
innerhalb der gelben Diffusionswanne außenrum eine grüne, also hier
ist die gelbe Diffusionsschicht für den PMOS-Transistor, unten drunter
muss ja eine Innenwanne sein.
Auch die muss man einmalen.
Wobei das auch automatisch passieren kann, wenn man das zeichnet, wenn
ich sage, das ist ein PMOS-Bereich, also eine P-Diffusion, kommt die
Innenwanne automatisch außenrum.
Also, jetzt sehen Sie, das, was ich vorher bei dem Querschnitt an
Bildern gemacht und an Farben verwendet hatte, Rot hier ist immer
Poly, immer das Gelb, Grün ist immer die N-Diffusionsschicht, Gelb ist
die P-Diffusionsschicht und Blau hatte ich da nicht verwendet, aber
das ist halt immer die Metallschicht und damit können wir jetzt
Schaltungen bauen.
Und aus solchen geometrischen Objekten, aus solchen grafischen
Zeichnungen, werden dann Masken hergestellt für die Fertigung.
Und jede Maske ist also hier irgendeine Schicht, das ist also eine
solche Maske und dann obendrauf kommt die nächste Maske, die wird
anschließend verwendet.
Sie haben also eine Maske für die Metallschichten, Sie haben eine
Maske für die P-Bereiche, eine Maske für die N-Bereiche, eine Maske
für, wer weiß was.
Es sind so etwa eine ganze Reihe von einzelnen solchen Vorgängen, wo
wie bei einem Druckprozess, wenn Sie ein bisschen Drucktechniken
kennen, Litografie ist das richtige Wort dafür, Sie behandeln auf
Ihrer Chipfläche, behandeln Sie bestimmte Bereiche, da machen Sie
irgendwas rauf und dann wird etwas weggeätzt, alles andere, oder
vielleicht nur dieser Bereich weggeätzt, alles andere wird nicht
weggeätzt, alles andere ist geschützt, dann haben Sie hier meinetwegen
irgendeine Vertiefung drin und da können jetzt weitere andere Objekte
drauf gemalt werden.
Das heißt, Sie haben hier eine Folge von Druckprozessen.
Wenn Sie sich jetzt vorstellen, Sie haben hier eine ganze Reihe von
solchen Fertigungsprozessen, wo jeweils die verschiedenen Elemente aus
so einem komplexen Gebilde nacheinander gedruckt werden auf die
Schaltung.
Dann ist natürlich ganz wichtig, dass die immer genau übereinander
positioniert sind.
Das heißt, Sie haben nicht nur Abweichungen dadurch, dass Sie nicht
immer alles ganz gerade malen, sondern Sie haben auch noch
Abweichungen dadurch, dass Sie im Prozess vielleicht nicht genau in
der Lage sind, 100 Prozent aufeinanderfolgende Masken genau richtig zu
positionieren.
Das heißt, es sind eine ganze Reihe Fehlerquellen da drin, die man
beherrschen muss.
Deswegen ist das ein Prozess, der eine wahnsinnige
Genauigkeitsanforderung hat bezüglich der Positionierung von Masken,
bezüglich der Technologie, die Sie verwenden.
Stellen Sie sich vor, Sie haben hier, ich sagte, Sie wollen hier etwas
wegätzen, Sie haben den Bereich geschützt.
Naja, das könnte ja sein, dass das noch ein bisschen darüber
hinausgeht.
Also wie weit geht so ein Ätzvorgang in die umgebenden Bereiche
hinein?
Wie klar können Sie das abgrenzen voneinander?
Das sind alles technologische Fragestellungen.
Und deswegen sind diese Fabriken für die Herstellung von gedruckten
Schaltungen so teuer, weil sie dort sehr hohe Präzisionsanforderungen
haben bezüglich dieser Prozesse und das, was hier so etwas breit zu
sehen ist, das sind in Realität Nanometer.
Ganz kleine Dimensionen.
Deutlich, deutlich kleiner als die Dicke eines Haares.
Und das muss so genau positioniert sein.
Das ist eine wahnsinnige Herausforderung.
Man war ursprünglich der Meinung, man wird mit optischen Technologien,
also optisch zu machen, gar nicht unter so einige Nanometer
runterkommen oder Mikrometer.
Man ist tatsächlich deutlich runtergekommen.
Man hat hier wirklich sehr gute Technologien entwickelt.
Das machen dann nicht die Informatiker, das machen dann eher die
Maschinenbauer, die sowas dann besonders gut können.
Oder Elektrotechniker oder Verfahrenstechniker.
Auf jeden Fall sind das hohe Anforderungen an die Ingenieurtechnik.
So, und wenn das Ganze dann tatsächlich gedruckt ist, oder auch, das
sieht also nicht, wenn es gedruckt ist, das sieht tatsächlich, wenn
Sie auf den Schaltkreis raufgucken, hat der auch so eine gewisse
Färbung.
Man kann fast meinen, man hätte die Farbe übertragen, was natürlich
Quatsch ist.
Da sind keine Farben drauf, aber man sieht die Struktur doch deutlich.
Das ist hier jetzt etwas, was man also so auf die Art und Weise
entwerfen würde.
Was Sie hier sehen, ist ein Inverter.
Und zwar sehen Sie hier oben, ich muss meinen Stift wieder ändern auf
das Rot.
Also hier oben sehen Sie einen PMOS-Transistor, hier unten sehen Sie
einen NMOS-Transistor.
Die sind hier etwas anders angeordnet, platzsparend.
Oben drüber, unten drunter sehen Sie die dicken Metallleitungen.
Und dann sehen Sie hier noch den Input, da sehen Sie den Output.
Der Input muss natürlich auch irgendwie mit Metall verbunden werden.
Und wenn Sie sich jetzt vorstellen, das Ganze ist auf einem Chip, und
Sie wollen jetzt nur einen solchen Inverter haben, die Dimensionen
hier sind sehr klein, das sind Nanometer.
Wenn Sie so eine Eingabe hier machen wollen, dann müssen Sie irgendwo
hier auf...
Wieso habe ich jetzt hier den Stift wieder verloren?
Da ist der Stift, genau.
Dann müssen wir hier wieder rauf, müssen also irgendwie da hinkommen
in diese kleinen Nanometer hinein und machen das mit einem Goldfaden,
der hier oben drauf liegt.
Der muss da rauf.
Ich kann Ihnen gar nicht das Ding aufmalen.
Das hier ist eine sehr kleine Dimension eines solchen Eingabe
-Elementes, eines solchen Input-Pins.
Darüber, in einem solchen Eingabe-Bereich, können Sie dann
tatsächlich, einfach durch die Dicke dieses Fadens, können Sie sich
vorstellen, ein Goldfaden, den können Sie von außen sehen, der ist um
einen Riesenfaktor dicker als die einzelnen Elemente hier drin.
Das heißt, Ihre Eingaben laufen über große Flächen, über die dann die
Pins verbunden werden können und dann laufen die hier klein weiter, um
tatsächlich an den Transistor ranzukommen.
Das sind alles technologische Herausforderungen.
Sie können sich auch vorstellen, wenn man so einen großen Bereich hat,
hier um eine Eingabe, also um über einen Pin tatsächlich das Ding
jetzt hier auf den Wert 1 oder 0 zu setzen, dann muss die gesamte
Fläche auf das entsprechende Potential gebracht werden.
Das dauert lange.
Das dauert wesentlich länger, als hier drinnen zu schalten.
Deswegen sind zum Beispiel auch Schaltvorgänge auf einem Chip deutlich
kürzer, als die Zeit, die Sie brauchen, um ein Signal von außen dort
reinzubringen.
Deswegen wird auch ein Rechner normalerweise nicht von außen getaktet,
das würde viel zu lange dauern, das Takt-Signal erzeugen Sie auf dem
Chip direkt.
Mit so Werkzeug, mit Schaltungen, die wir vorher mal gesehen haben.
Also das ist unser VDD und Ground Inverter von A nach B, so sieht das
aus, wenn man es tatsächlich baut.
Das ist Full Custom.
Jetzt wollen Sie das eventuell Semi-Custom machen, nicht ganz so viel
spezifizieren.
Semi -Custom heißt, Sie malen nur Standardzellen, elementare Gatter.
Sie gehen also nicht auf die Transistorebene.
Sie sagen nur, ich brauche hier einen Halbadierer, ich brauche einen
Addierer, ich brauche ein XOR-Element und Ähnliches.
Und das Layout wird automatisch erzeugt.
Das heißt, ich kümmere mich nicht mehr um die tatsächliche Hardware
-Realisierung.
Das geht ja einigermaßen automatisch.
Das Problem ist nur, wenn Sie das einem Werkzeug überlassen, dann
haben Sie eine Standard-Geometrie für Ihre Schaltungen.
Und das heißt, Sie haben nicht mehr die Kontrolle über die Länge der
Leitungen auf dem Chip.
Wenn Sie also die physikalischen Eigenschaften, auch das Verhalten
eines Schaltkreises, tatsächlich 100% so haben wollen, wie Sie sich
das ausgedacht haben, dann geht nichts drumherum um einen Full Custom
-Entwurf.
Das ist so ähnlich, wie wenn Sie einen Rechner programmieren, sagen,
ich programmiere den aber in Maschinensprache, was das ist, werden Sie
später noch kennenlernen, oder auch Assembler, also ganz nah an dem,
was der Rechner tatsächlich an Befehlen mir bietet, dann kann ich 100%
ausnutzen, was wann passiert.
Aber wenn mir das nicht so wichtig ist, dann schreibe ich ein Programm
in Java und es wird dann schön überführt in ein Maschinenprogramm auf
eine Standardart und Weise, nicht immer effizient, aber weitgehend
effizient.
So ähnlich ist das hier, Semi-Custom.
Es wird nur noch halb auf die Kundenanforderungen geachtet, das Layout
wird automatisch erzeugt und noch besser ist es, ich habe einen
sogenannten Silicon-Compiler, also ich kann direkt aus der
funktionalen Beschreibung auf einen Schaltkreis kommen, auf Silizium.
Das heißt, ich beschreibe eine Schaltfunktion, das funktionale
Verhalten und daraus erzeuge ich logische Gatter- und
Transistorschaltkreise sowie Layouts.
Das ist der etwas abstraktere Entwurf von Hardware und dafür kann man
Sprachen entwickeln, die genau solche, die das Verhalten von
Bausteinen entsprechend spezifizieren, sodass ein Silicon-Compiler das
dann direkt übertragen kann in einen Schaltkreis.
Gibt es PCs, anderweitige Hardware, die ausschließlich statische
Elemente, Speicher enthält oder wäre dies zu groß und teuer?
Sie können selbstverständlich solche bauen, die nur statische Speicher
haben, aber die sind sehr teuer.
Ja, das macht man normalerweise nicht, sondern man verwendet
intelligente Techniken, um schnell zu sein und preiswert.
Durch geeignete Kombinationen unterschiedlicher Bauteile, das werden
wir in weiteren Vorlesungsstunden hier kennenlernen.
Sie haben eine Speicherhierarchie normalerweise.
Für Spezialanwendungen können Sie alles mit statischen Bauelementen
machen, die schnell sind, aber für einen normalen PC haben Sie eine
Speicherhierarchie, die durch intelligente Aufbau der Architektur
dafür sorgt, dass Sie die Verzögerung durch langsame Speicher im
Prinzip nicht zu spüren bekommen.
Das erfordert aber eine intelligente Ausnutzung der Möglichkeiten
einer solchen Rechnerarchitektur, das werden wir noch kennenlernen.
Gut, das also zu diesen Dingen.
Dann gibt es Entwurfsregeln, ich hatte es schon gesagt.
Es gibt diese Entwurfsregeln über minimale Leiterbahnbreiten, minimale
Dicke für eine Leiterbahn, minimale Abstände zwischen Leitungen.
Also das hier muss Mindestabstand haben, andernfalls kann es sein,
dass ich hier Kurzschlüsse kriege oder auch die minimale Dicke einer
Leiterbahn, damit ich nicht auf einmal eine Lücke habe dazwischen, die
minimalen Abstände, damit ich nicht auf einmal Verbindungen habe
zwischen Leitungen und auch, damit ich Effekte, dass ein Signal, das
hier drauf läuft, sich nicht darauf auswirkt, Feldeffekt eines solchen
Signals, diese Leitung hier wird aufgeladen, hat das Effekt auf die
danebenliegende Leitung.
Da muss man aufpassen, dass man das richtig aufbaut.
Das sind solche Entwurfsregeln.
Hierzu muss ich eine Geschichte erzählen, die mit dem Stoff direkt
nichts zu tun hat, aber etwas zu tun hat damit, wie man
Technologieentwicklung macht.
Und zwar hatte ich eine Arbeitsgruppe in Kiel, an meiner Universität
früher, wo wir daran gearbeitet haben, Algorithmen direkt in Hardware
zu implementieren.
Wir haben das spezifiziert und wollten jetzt dafür entsprechende
Schaltkreise bauen.
Wir wollten einen Vollkastenentwurf machen für die Schaltkreise, das
mit VLSI-Technologie realisieren.
Es gab irgendwann, das war in den 80er-Jahren, gab es dann irgendwann,
so Mitte der 80er-Jahre gab es sogenannte Multi-Project-Chip-Angebote,
wo Akademiker, also Hochschulinstitute einfach sehr preiswert Chips
produzieren konnten.
Die mussten natürlich spezifiziert werden.
Dafür muss man die Entwurfsregeln kennen.
Es gab in Deutschland ein Projekt, das nannte sich ICE, bei dem war
ich damals nicht beteiligt, ich war in einer Gruppe, die eher im
Bereich theoretische Informatik angesiedelt war, nicht in der
technischen Informatik.
Und in dem ICE-Projekt, genannt Entwurf intelligenter Schaltungen,
da hat man, wie das bei uns Deutschen so üblich ist, gesagt, wir
müssen einerseits den Studenten die Möglichkeit geben, dass sie
Schaltungen entwerfen können, dass sie Erfahrungen sammeln damit, aber
sie müssen auch wissen, wie man das richtig gut macht, wie man die
Technologie ausnutzt.
Also gab es hier eine Liste an Entwurfsregeln, das waren sehr, sehr,
sehr viele Entwurfsregeln.
Und mit jeder neuen Technologie mussten die bearbeitet werden, weil
man natürlich die neue Technologie bestmöglich ausnutzen wollte.
Und wir waren so weit, dass wir einen Chip produzieren wollten und
fragten an, können wir nicht die Entwurfsregeln kriegen.
Ja, wir sind gerade dabei, uns auf eine neue Technologie umzustellen,
das dauert noch ein bisschen.
Wir haben drei Monate später wieder nachgefragt.
Ja, das dauert noch, fragt man im halben Jahr wieder nach.
Dann hatten wir Kontakt zu einem Kollegen in Dänemark und der hatte zu
tun mit einer Vereinigung der skandinavischen Universitäten, die haben
auch solche Multi-Projekt-Chip-Projekte gemacht und hatten auch
gesagt, Mensch, unsere Studenten müssen Kompetenzen erwerben im
Bereich Entwurf von mikroelatronischen Schaltungen.
Und damit das möglichst schnell geht, brauchen wir Entwurfsregeln.
Da machen wir Entwurfsregeln, machen das ganz einfach, eins bis zwölf.
Zwölf Entwurfsregeln, ganz einfach, skalierbar, auf unterschiedliche
Technologien anwendbar.
Die haben nicht die Eigenschaften hundertprozentig ausgenutzt, aber
waren robust.
Und wir haben dann innerhalb von 14 Tagen in Kooperation mit denen,
Dänemark ist nah an Kiel, haben wir sehr schnell unsere Entwürfe
tatsächlich im Full-Custom-Entwurf umgesetzt, daraus wurden Chips
produziert und die Schaltkreise funktionierten.
Wir hatten dann ein Sortierverfahren auf dem Chip.
Innerhalb kürzester Zeit.
Was ist die Lehre, die man daraus ziehen sollte?
Wenn ich Technologieentwicklung mache, dann ist es nicht immer
erforderlich, dass ich von vornherein alle Möglichkeiten bestmöglich
ausnutze, sondern um technologisch voranzukommen, kann es manchmal
sinnvoll sein, einfach die einfachste Lösung zu nehmen und dann die
auch wirklich umzusetzen.
Und damit schon mal anzufangen, ich kann das immer noch verbessern,
aber ich bin schon mal in der Lage, etwas zu produzieren, ich kann
schon mal in die Technologie einsteigen.
Und hunderte von Ingenieurstudenten in Dänemark und Schweden und
Norwegen und Finnland hatten sehr schnell Erfahrungen mit dem
Entwerfen und Testen von Chips.
Nicht umsonst sind dort eine ganze Reihe Mikroelektronikfirmen
entstanden.
Und bei uns in Deutschland war das EIS-Projekt unter Führung von
Siemens gelaufen, die wollten die bestmögliche Technologie machen und
die kamen nicht wirklich voran.
Die Mikroelektronik ist mittlerweile längst aus Deutschland
verschwunden, hat man alles an die Japaner verkauft, beziehungsweise
an die Asiaten, und man sagte, wir brauchen das nicht wirklich.
Eine fundamentale Fehlentscheidung der Forschungs- oder der
Technologiesteuerung.
Jetzt machen wir ähnliche Sachen, Zeit ist gleich um, deswegen bleibe
ich jetzt hier noch dabei, wir machen jetzt ähnliche Sachen, wir bauen
Elektromobilität, ganz toll.
Dazu müssen wir aber erstmal Ladesäulen bauen.
Ladesäulen brauchen wir, die müssen bestmöglich sein, wir brauchen
Roaming, wir müssen in der Lage sein, das alles ordentlich
abzurechnen, und wir müssen dafür sorgen, dass die alle ganz sicher
sind, dass alles ganz schnell geht, dass die schnell aufgeladen werden
können.
Das ist ein hochkomplexes System, das dauert lange, und wir haben sehr
wenige hochkomplexe Ladesäulen, die sehr teuer sind, und die
verbreiten sich nicht wirklich.
Ich sprach darüber mit einem Forschungschef von Vattenfall, der sagte,
er versteht gar nicht, die Infrastruktur ist doch da.
In Schweden haben sie an jedem Parkplatz eine Steckdose, das ist eine
Steckdose, um die Standheizung anzuschließen, die die brauchen, um im
Winter die Batterien aufzuheizen.
Das heißt, an jedem Parkplatz ist eine Steckdose, eine einfache Schoko
-Steckdose.
Die reicht nicht aus, um schnell zu laden, aber eine einfache Schoko
-Steckdose reicht aus, um langsam ein Auto aufzuladen, das steht aber
die ganze Nacht, das macht doch nichts.
Das heißt, eine Basis-Infrastruktur ist da, die man nutzen kann.
Die bauen dann auch irgendwann Schnellladestationen auf.
Aber sie sagen, die Infrastruktur ist doch da, wir können doch einfach
anfangen.
Und wir sagen, na, das ist alles so kompliziert, wir brauchen eine
viel komplexere Technologie.
Und irgendwann haben wir die auch, aber dann haben andere längst Dinge
gemacht und aufgebaut, während wir eine tolle Technologie haben und
irgendwann sind wir dann auch ganz gut.
Aber es ist einfach technologisch manchmal nicht sinnvoll.
Und da Sie als Wirtschaftsingenieure ja alle mit solchen
Fragestellungen später zu tun haben werden, muss man sich einfach klar
machen, richtig gut und langsam ist nicht immer besser, als nicht ganz
so gut, aber schnell.
Und jetzt sind wir mit der Zeit durch für heute.
Hier fange ich am Mittwoch früh wieder an.
Denken Sie daran, sich anzumelden für die Bonusklausur.
Das war es für heute.
Vielen Dank.