Das Video präsentiert „Mini MOSBius“, ein feldprogrammierbares Transistor-Array (FPTA) für analoge Mikroelektronik, das als programmierbarer Baustein im Rahmen von Tiny Tapeout realisiert wurde. Inspiriert von Peter Kingets MOSBius-Projekt, bietet der Chip analoge Standardkomponenten wie P- und N-MOSFETs, Stromspiegel, differenzielle Paare und 5-Transistor-OTAs, die über eine programmierbare Routing-Matrix verschaltet werden. Der Vortrag demonstriert den Entwurfs- und Programmierworkflow mittels eines neuen Xschem- und Python-basierten Konfigurators, der Bitstreams generiert. Anhand von zwei Praxisbeispielen – einem CMOS-Inverter und einem dreistufigen Ringoszillator – werden Simulationen unter Berücksichtigung von Layout-Parasitiken (Transmissionsgatter, Pad-Kapazitäten) mit realen Silizium-Messergebnissen auf Tiny-Tapeout-Evaluationboards (TT Sky 25A/25B) verglichen.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:00 Mini MOSBius Konzept: Vorstellung eines analogen FPGA-Pendants für analoge Schaltungsentwicklung, das diskrete Transistoren und Bauteile wie Stromspiegel zur schnellen Evaluierung bereitstellt.
1:09 Systemarchitektur: Von Andrew Kang entworfene Hardware-Blöcke, bestehend aus N-/P-MOSFETs, Stromspiegeln, differenziellen Paaren und Operations-Transkonduktanzverstärkern (OTAs) als analoge Grundbausteine.
2:01 Sylvain’s Konfigurator: Webbasierter Ansatz zur manuellen Verschaltung analoger Komponenten per grafischer Benutzeroberfläche zur Erstellung von Hardware-Bitstreams.
2:54 Physisches Layout: Analyse der Siliziumstruktur mit digitalen Schieberegistern für den Bitstream, einer massiven Anordnung von Transmissionsgattern für das Routing sowie kompakten analogen Zellen.
4:02 Erste Siliziumtests: Funktionstests der im Mai erhaltenen Tiny-Tapeout-Chips bestätigen die erfolgreiche Implementierung und Programmierbarkeit einfacher Oszillatoren.
5:00 Xschem-Konfigurator: Entwicklung eines KI-gestützten Open-Source-Konfigurators mit Xschem und Python-Skripten zur automatisierten Netlist- Extraktion und Routen-Generierung.
6:23 Inverter-Demo: Aufbau und Simulation eines Standard-CMOS-Inverters inklusive der Berücksichtigung parasitärer Widerstände und Kapazitäten von Transmissionsgattern sowie Chip-Pads.
9:12 Spice-Simulation: Ausführung von Transientensimulationen zur Erstellung eines „Digital Twins“ des Mini-MOSBius-Layouts, um verlangsamte Signalflanken präzise vorherzusagen.
11:18 Programmierung & Messung: Übertragung des JSON-Bitstreams via serieller Schnittstelle (ttyACM1) auf das Demo-Board; messtechnische Erfassung einer Anstiegszeit von ca. 72 bis 99 ns mit einem Digilent AD3 Oszilloskop.
16:27 Ringoszillator-Demo: Realisierung eines dreistufigen Ringoszillators, der zwingend ein Pad im Routing-Loop erfordert, um die Schaltung funktionsfähig zu routen und die Frequenz auf messbare ca. 36,7–40 MHz zu dämpfen (gegenüber idealen 2 GHz).
21:54 Verfügbarkeit: Mini MOSBius ist auf TT Sky 25A/25B (SkyWater 130nm) im Store verfügbar, auf Nachfolgeversionen integriert und für Dezember auf GlobalFoundries portiert.
Glossar
FPTA (Field Programmable Transistor Array): Ein integrierter Schaltkreis, der eine Matrix einzelner Transistoren und analoge Grundbausteine enthält, die durch programmierbare Schalter (Routing-Matrix) flexibel verschaltet werden können.
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor): Ein Feldeffekttransistor, der in der CMOS-Technologie als elektronischer Schalter oder Verstärker dient (unterteilt in N-MOS und P-MOS).
OTA (Operational Transconductance Amplifier): Ein Operationsverstärker, dessen Ausgangssignal ein Strom (proportional zur Eingangsspannung) statt einer Spannung ist; ein essenzieller Baustein in analogen Schaltungen.
Stromspiegel (Current Mirror): Eine analoge Schaltungstopologie, die einen konstanten elektrischen Strom durch einen Referenzzweig auf einen oder mehrere andere Schaltungszweige kopiert.
Transmissionsgatter (Transmission Gate): Ein elektronischer Schalter aus parallel geschalteten P- und N-MOSFETs, der analoge Signale bidirektional und verlustarm leitet.
Parasitiken (Parasitic Capacitances/Resistances): Unbeabsichtigte, physikalisch bedingte Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände in Leitbahnen und Halbleiterstrukturen, die das Hochfrequenz- und Zeitverhalten beeinträchtigen.
Netlist (Netzliste): Eine textuelle Beschreibung der elektrischen Verbindungen (Knoten) zwischen elektronischen Bauteilen in einer Schaltung.
Bitstream: Eine binäre Sequenz, die in Konfigurationsspeicher (z.B. Schieberegister) geladen wird, um programmierbare Schalter für das interne Routing zu steuern.
MPW (Multi-Project Wafer): Ein Halbleiter-Herstellungsverfahren, bei dem Masken verschiedener Entwickler auf einem einzigen Wafer kombiniert werden, um die hohen Kosten der Maskenherstellung zu senken.
Xschem: Ein Open-Source-Schaltplaneditor, der häufig im Rahmen von Open-Source-PDKs (Process Design Kits) für die Chipentwicklung verwendet wird.
SkyWater / GlobalFoundries: Kommerzielle Halbleiter-Foundries (Auftragsfertiger), die Wafer produzieren (u.a. für Open-Source-fähige MPW-Shuttles wie Tiny Tapeout).