Что с рабочим напряжением: 5 В, 3,3 В, 2,5 В, 1,8 В и т. Д.

23

Интегральные схемы, кажется, имеют стандартные напряжения 5В, 3,3В, 2,5В. 1.8V ...

  • Кто решает эти напряжения?
  • Почему устройства меньшего размера требуют более низкого напряжения?
Томас О
источник
1
Короче говоря, напряжения продиктованы процессом, на котором кремний вырабатывается. Чем меньше размер процесса, тем меньше напряжение пробоя и, следовательно, рабочее напряжение (хотя есть много других соображений процесса).
Коннор Вольф
Я просто хочу отметить, что некоторые ответы здесь (даже некоторые с большим количеством голосов) просто явно неверны , или, по крайней мере, неосведомленные догадки.
Коннор Вольф
4
@ Фальшивое имя, исправьте их своими комментариями.
Томас О
Не уверен насчет 5 В, но люди / компании в JEDEC и комитетах по дорожной карте полупроводников, вероятно, спорили / скомпрометировали некоторые из более низких напряжений.
hotpaw2

Ответы:

7

Новые напряжения часто выбирались, чтобы дать некоторую степень совместимости с тем, что было до них.

Например, уровни выхода 3V3 CMOS были совместимы с входами TTL 5 В.


источник
14

Более низкий VDD требуется, поскольку геометрия ворот уменьшается. Это предотвращает повреждение оксида затвора CMOS и минимизирует утечку. Когда переключатели переключались с 0,5 на 0,35 мкм, более тонкие затворы могли работать только с потенциалами до 3,6 В. Это привело к поставкам на 3,3 В +/- 10%. При переключении на 0,18um напряжение было снижено до 1,8 В +/- 10%. В новейших процессах (например, 45 нм) затворы изготовлены из диэлектриков с высоким k, таких как полудиний, для уменьшения утечки.

Eryk Sun
источник
9

Это сочетание нескольких факторов:

  • условные обозначения - проще спроектировать систему, когда на чипы подается одинаковое напряжение. Еще более важно то, что напряжение питания определяет уровни напряжения цифровых выходов CMOS и пороги напряжения входов. Стандарт для обмена данными между микросхемами составлял 5 В, в настоящее время он равен 3,3 В, хотя в последнее время произошел взрыв низковольтных интерфейсов последовательной связи с колебанием. Можно сказать, что здесь «отрасль» решает напряжение питания.
  • Ограничения производственного процесса КМОП - с уменьшением МОП-транзисторов увеличивается толщина изоляционного материала затвора и длина канала. В результате напряжение питания должно быть снижено, чтобы избежать проблем с надежностью или повреждения. Чтобы поддерживать «удобное» напряжение питания на интерфейсах ввода / вывода (например, 3,3 В - см. Выше), эти ячейки сделаны с использованием других (более крупных и более медленных) транзисторов, чем ядро ​​чипа. Здесь «потрясающий» (тот, кто спроектировал производственный процесс там) решает напряжение.
  • Энергопотребление - при каждом поколении процессов микросхема может вместить в 2 раза больше транзисторов, работающих на более высокой частоте в 2 раза (по крайней мере, так было до недавнего времени) - если ничего не сделать, это дает увеличение мощности в 2 * 2 = 4 раза на единицу площади. Чтобы уменьшить его, напряжение питания (или было) уменьшается пропорционально размерам транзистора, оставляя в 2 раза увеличение мощности / единицу площади. Здесь важен голос дизайнера чипа.

В последнее время картина стала более сложной - напряжение питания не может быть легко уменьшено из-за ограниченного внутреннего усиления транзистора. Это усиление представляет собой компромисс (при данном напряжении питания) между сопротивлением «включено» транзисторного канала, которое ограничивает скорость переключения, и сопротивлением «выключено», которое вызывает утечку тока через него. Вот почему напряжение питания ядра установилось на уровне около 1 В, в результате чего скорость новых цифровых микросхем растет медленнее, а их энергопотребление растет быстрее, чем раньше. Ситуация ухудшается, если учесть изменчивость производственного процесса - если вы не можете достаточно точно позиционировать пороговое напряжение переключения транзистора (а поскольку транзисторы становятся меньше, это становится очень трудным), то пропасть между сопротивлениями «включено» / «выключено» исчезает.

Andrzej
источник
«Я хочу сказать вам одно слово. Только одно слово ... Вы слушаете?» Графен. МОП-транзистор мертв; да здравствует графен FET ... до 100 ГГц.
Eryk Sun
5
@eryksun - Вы изобретаете процесс создания графеновых пластин и делаете фотолитографические схемы на них. Я сделаю маркетинг для вас. ОК?
Коннор Вольф
3
@eryksun: Вы должны быть автором Популярной науки; всегда говорить о «следующей большой вещи», не принимая во внимание выполнимость или стоимость.
Ник Т
1
@Nick_T То, что я думаю, что графен - это «следующая большая вещь», не означает, что я думаю, что это легко. @Fake_Name Это не моя область, но я видел все больше статей о графене, которые показывают устойчивый прогресс - среди других конкурирующих технологий. Я просто предлагал потенциальное «лучшее устройство» с шутливым намеком на известную линию о пластике в «Выпускнике».
Eryk Sun
3
"до 100 ГГц" - тогда что может быть 50 МГц?
Shuckc
6

Напряжения выглядят следующим образом:

  • 3,3 В = 2/3 от 5 В
  • 2,5 В = 1/2 от 5 В
  • 1.8v = ~ 1/3 от 5v (1.7 будет ближе к 1/3, это, кажется, единственный чудак)
  • 1,2 В = 1/4 от 5 В
tcrosley
источник
7
Если вы хотите пойти по этому поводу, я бы скорее подумал об этом с той же точки зрения, так как функция IC уменьшается, каждая уменьшается в несколько раз sqrt(2)/2. Все еще не идеально, но в пределах 10%, и это имеет гораздо больше смысла, чем ваши произвольные дроби: P
Ник Т
5

« Почему для небольших устройств требуется более низкое напряжение ?» Меньшие микросхемы имеют меньшую поверхность, чтобы избавиться от жары. Всякий раз, когда бит переключается где-то в IC, конденсатор должен быть заряжен или разряжен (то есть емкость затвора транзистора CMOS). Хотя транзисторы в цифровой микросхеме обычно очень малы, их много, поэтому проблема по-прежнему важна. Энергия, запасенная в конденсаторе, равна 0,5 * C * U ^ 2. Дважды напряжение вызовет 2 ^ 2 = 4 раза больше энергии, которая должна быть использована для каждого затвора MOSFET. Поэтому даже небольшой шаг, скажем, от 2,5 В до 1,8 В принесет значительное улучшение. Вот почему разработчики микросхем не просто придерживались 5 В в течение десятилетий и ждали, пока технология не будет готова к использованию 1,2 В, но использовали все другие забавные промежуточные уровни напряжения.

zebonaut
источник
5

Краткий ответ: гики из TI так сказали, и все остальные последовали их примеру, создав совместимые или конкурирующие продукты.

5 Вольт был выбран для помехоустойчивости . Ранние микросхемы были источником питания, вызывая пульсации в источнике питания каждый раз, когда что-то переключалось, что дизайнеры пытались бы преодолеть, помещая конденсатор на выводы питания каждого чипа. Тем не менее, дополнительные 2,4 вольт запаса дали им подушку от проникновения в запретную зону между 0,8 В и 2,2 В. Кроме того, транзисторы вызвали падение напряжения ~ 0,4 В только из-за их работы.

Напряжения питания падали, чтобы продлить срок службы батареи, а также потому, что кристаллы кристалла сжимались, чтобы сделать ваши портативные устройства меньше и легче. Меньшее расстояние между компонентами на микросхеме требует более низких напряжений для предотвращения чрезмерного нагрева и потому, что более высокое напряжение может пересекать более тонкую изоляцию.

Рон
источник
1
Разве колебание напряжения, вызванное переключением, не будет пропорционально напряжению питания, если полное сопротивление источника питания аналогично?
Ник Т
4

Кто бы ни делал микросхему, он выбирает нужные ему напряжения.

В старину кто-то начал использовать 5 В для цифровой логики, и это надолго застряло, в основном потому, что гораздо сложнее продать чип, которому нужно 4 В, когда все проектируют с большим количеством микросхем, работающих на 5 В.

iow: причина, по которой все стремятся использовать одно и то же напряжение, заключается не столько в том, что все они выбирают один и тот же процесс, сколько в том, что они не хотят, чтобы их проклинали за использование «необычных» напряжений конструкторами, которые используют свои чипы.

Переключение сигнала с определенной скоростью потребляет больше энергии, если напряжение выше, поэтому при более высоких скоростях вам нужно более низкое напряжение для подавления тока, поэтому более быстрые, более плотные, современные схемы, как правило, используют более низкие напряжения, чем старые чипы.

Многие чипы даже используют 3,3 В для ввода-вывода и более низкое напряжение, например 1,8 В для внутреннего ядра.

Разработчики микросхем знают, что напряжение 1,8 В является нестандартным напряжением и часто будут иметь внутренний регулятор, обеспечивающий напряжение ядра для самого чипа, избавляя разработчика от необходимости генерировать напряжение ядра.

Для примера ситуации с двойным напряжением взгляните на ENC28J60, который работает на 3,3 В, но имеет внутренний регулятор 2,5 В.

dren.dk
источник
У dsPIC33F и PIC24F есть 2,5-вольтовые регуляторы для работы с ядром, у некоторых AT32 есть 1,8-вольтовые регуляторы.
Томас О
1
Это не объясняет, как все выбрали одно и то же напряжение? Я знаю, что производители должны использовать аналогичные напряжения, но почему они выбрали их в первую очередь?
Томас О
Я понятия не имею, я предполагаю, что были конкретные причины для каждого напряжения, которое выбрали разработчики ИС, когда они впервые выбрали его, но что самая веская причина, по которой «все» используют одно и то же напряжение, заключается в том, что «все» остальное кажется использовать это напряжение.
dren.dk
@thomas o Рассматривали ли вы историю инженеров? Похоже, вы заинтересованы в этом.
Kellenjb
4

Напряжения диктуются физикой материалов (в любом случае, полупроводниковых материалов) и процессами, используемыми при изготовлении микросхемы. (Я надеюсь, что я использую правильные термины здесь ...) Разные типы полупроводников имеют разное напряжение разрыва - по существу, напряжение, которое их «активирует». Они также могут оптимизировать структуру чипа, чтобы позволить более низким напряжениям работать более надежно, когда они выполняют макеты (я полагаю).

Дело не в том, что меньшие устройства требуют более низких напряжений, а в том, что они разработали их для использования меньших напряжений, потому что меньшее напряжение означает меньшее рассеивание тепла и потенциально более быструю работу. Проще иметь тактовый сигнал 10 МГц, если он должен находиться в диапазоне от 0 до 1,8 В.

AngryEE
источник
1
Для зарядки емкости затвора до 0,9 * Vdd требуется 2,3 постоянных времени, независимо от Vdd. Меньший затвор имеет меньшую емкость, что дает более короткую постоянную времени RC и меньше 0,5C * V ^ 2 энергии переключения. Кроме того, минимизация токов утечки для затвора меньшего размера требует более низкого напряжения затвора, что дополнительно снижает энергопотребление. С другой стороны, более высокое напряжение затвора увеличивает зарядный ток при разветвлении (уменьшая R на постоянной времени). Таким образом, оверклокеры увеличивают Vdd - за счет энергопотребления и более сложного охлаждения.
Eryk Sun