NAND-Flash 101: Was sind integrierte Schaltkreise?

Dieser Artikel ist der erste einer Reihe, die sich eingehend mit einem der wichtigsten Angebote von Phison befasst: dem integrierten Schaltkreis. Hier definieren wir, was ein integrierter Schaltkreis ist und wie er klassifiziert wird.

Der integrierte Schaltkreis (IC) ist die grundlegendste Grundlage der heutigen Elektronik. ICs, auch Chips oder Mikrochips genannt, bestehen aus einer Ansammlung elektronischer Komponenten, die auf einem einzigen Stück Halbleitermaterial – typischerweise Silizium – befestigt sind.

Obwohl diese Beschreibung auf den ersten Blick einfach erscheinen mag, stellt sie sich als etwas komplizierter heraus.

Komplexe Komponenten mit mehreren Funktionen

IC-Chips bestehen aus einer großen Anzahl nanometergroßer Schaltkreise, die mit Minischaltern, sogenannten Transistoren, verbunden sind. Bei diesen Transistoren handelt es sich um Halbleiterbauelemente, die grundsätzlich leitend werden, wenn sie an elektrische Spannung oder Strom angeschlossen werden.

Um dieses Konzept ins rechte Licht zu rücken, stellen Sie sich ein Sanitärsystem mit vielen Rohren und Ventilen vor. Die Rohre liefern Wasser, genau wie die Minischaltkreise in ICs elektrischen Strom liefern. Die Transistoren sind wichtige Kontrollpunkte, die ein- oder ausgeschaltet werden können, um den Strom dorthin zu leiten, wo er hin muss, ähnlich wie Ventile in einem Sanitärsystem den Wasserfluss leiten.

Indem ein IC elektrischen Strom durch das Labyrinth aus Schaltkreisen, Transistoren und einer Vielzahl anderer Komponenten leitet, kann er eine Vielzahl von Rechen- und Logikverarbeitungsaufgaben erledigen. ICs haben viele potenzielle Funktionen – sie können als Computerspeicher, Zähler, Timer usw. fungieren. Sie können Signale verstärken, Berechnungen durchführen und sogar Entscheidungspunkte auswerten und den Code basierend auf den Ergebnissen verzweigen. Diese Grundelemente sind alle entscheidend für den Zusammenbau eines komplexen Geräts wie der CPU in einem Desktop-Computer.

IC-Klassifizierung

Aufgrund ihrer einzigartigen Architektur und der Bandbreite möglicher Einsatzmöglichkeiten lässt sich der IC-Familienbaum in drei Hauptgruppen einteilen: digital/logisch, analog (wie Audiosignale oder Kollisionsvermeidungsradar in einem Auto) und Speicher (siehe Abbildung 1).

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Abbildung 1. Alle ICs fallen in eine der drei Hauptkategorien, die unterschiedliche Verwendungszwecke haben.

Analog vs. digital: Ein kleiner Hintergrund

Bevor wir uns mit den einzelnen IC-Gruppen befassen, ist es wichtig, den Unterschied zwischen digital und analog zu verstehen. Während sich beide auf eine Art Signal beziehen, liegt der Unterschied in der Art und Weise, wie die Daten übertragen werden. Analoge Signale sind eine kontinuierliche Welle. Digitale Signale bestehen aus Einsen und Nullen und sind nicht kontinuierlich – jede Eins oder Null ist ein diskretes „Informationspaket“. Sie können den Unterschied zwischen den beiden Wellenformen (oder die Formen ihrer Signale, wenn sie visuell dargestellt werden) in Abbildung 2 sehen.

Analoge Wellen sind wirklich gut darin, Dinge darzustellen, die mit der realen Welt verbunden sind. Denken Sie an Schallwellen oder den Druck eines Fußes, der auf den Boden aufprallt, an die Erschütterungen eines Erdbebens, das sich allmählich verstärkt, und so weiter. Es gibt immer einen reibungslosen Übergang von Punkt A zu Punkt B.

Digitale Signale hingegen kommen häufiger in technischen Systemen vor, da sie aufgrund ihrer klar definierten, sofortigen Start- und Stopppunkte viel einfacher zu steuern, zu zählen, zu messen und zu verwalten sind.

Digitale ICs

In den frühen 2000er Jahren wurde Phison in Taiwan von einer Gruppe junger Ingenieure gegründet, als sie den weltweit ersten Single-Chip-USB-Flash-Laufwerk-Controller-IC entwickelten. Dieser Chip würde als eine Art digitaler IC klassifiziert.

Bei diskreten Signalen steigt und fällt die Spannung (oder der elektrische Pegel) augenblicklich, im Gegensatz zur Spannung bei analogen Signalen, die sanft wie eine Welle ansteigen und abfallen können. Und mit spezifischen, vorgegebenen Spannungspegeln für die Hochs und Tiefs in einem diskreten Signal können die Daten in Binärziffern (Einsen und Nullen) leicht abgeleitet werden. Der „eindeutige“ Charakter digitaler Signale und Chips ist für Designer benutzerfreundlicher, insbesondere mit der Weiterentwicklung der heutigen Schaltungsdesign-Tools.

Abbildung 2. Analoge Signale sind kontinuierlich, während digitale Signale als diskret betrachtet werden.

Analoge ICs

Wie oben erwähnt, sind die kontinuierlichen wellenförmigen Signale analoger ICs wirklich gut darin, variable Faktoren in der realen Welt wie elektromagnetische Wellen und Wärmestrahlung darzustellen. Sie werden häufig als Signalverarbeitungs- und Schnittstelleneinheiten wie Filter eingesetzt, die die Eigenschaften eines Signals entfernen, reduzieren oder ändern. oder Temperatursensoren, die eine Spannung proportional zu einer voreingestellten Temperatur erzeugen.

Zur Veranschaulichung kehren wir noch einmal zu unseren Sanitärrohren und -ventilen zurück. Durch zufälliges Einstellen eines Wasserventils und Beobachten der Variation des gesamten Wasserdurchflusses über die Zeit kann eine kontinuierliche Wellenform mit der Menge des aktuellen Durchflusses als Funktion der Zeit aufgezeichnet werden. Mit einer richtig konzipierten analogen Schaltung funktioniert es genauso: Sie können eine Wellenform mit elektrischen Strom- oder Spannungsmessungen anstelle von Wasser zeichnen.

Der Nachteil analoger Signale besteht darin, dass sie komplex und schwer zu analysieren sind. Es bedarf einer Reihe komplexer mathematischer Operationen, um die Wellenformen in einfachere Formen zu übersetzen, damit sie anhand einfacher Beobachtungen tatsächlich schlüssig werden.

Die Variabilität analoger Signale, die bei manchen Anwendungen positiv ist, kann analoge ICs sehr empfindlich machen, da sie eine geringe Fehlertoleranz aufweisen. Das bedeutet, dass sie bei kleinen Fehlern im Schaltkreis, in der Hardwarekonfiguration oder im Benutzerdesign nicht besonders gut funktionieren und zu Störungen führen können, die letztendlich sogar die Integrität des Gesamtsystems gefährden können.

Dennoch ist die Bedeutung analoger ICs in komplexen Systemdesigns nicht zu übersehen – historisch gesehen begannen die meisten elektronischen Geräte mit der analogen Informationsverarbeitung. Heutzutage sind analoge ICs immer noch weit verbreitet und werden beim Entwurf komplexer Systeme und Module häufig mit digitalen ICs kombiniert.

Speicher-ICs

Der Zweck eines Speicher-ICs besteht darin, Daten zu speichern. Insbesondere NAND-Flash-Speicher erfreuen sich im vergangenen Jahrzehnt als Langzeitspeichermedium großer Beliebtheit, da sie auch bei ausgeschaltetem Strom Informationen behalten können und über keine beweglichen Teile verfügen. Diese Art der Datenaufbewahrung wird auch als nichtflüchtig bezeichnet. Im Gegensatz dazu sind flüchtige Speicher wie RAM schnell, verlieren jedoch ihre Daten, wenn der Strom ausgeschaltet wird. Heutige Ingenieure können je nach der prognostizierten Häufigkeit des Datenzugriffs durch die Zielanwendung entweder flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher verwenden.

Allen Speicher-ICs ist heute gemeinsam, dass sie einen digitalen Controller-IC benötigen, um eine sinnvolle Lösung bereitzustellen. Speicher-ICs auf einer Platine ohne einen Controller-IC zu haben, der sie antreibt, ist wie ein Auto mit den besten Rädern, aber ohne Motor.

Dies führt zurück zu dem digitalen IC, den wir zuvor besprochen haben. Dieser erste USB-Flash-Controller war ein digitaler IC, der von Phison für eine bestimmte Funktion entwickelt wurde: Datenspeicherung. Diese Arten von ICs werden üblicherweise als anwendungsspezifische ICs (ASIC) bezeichnet und unterscheiden sich von Allzweck-ICs, die für allgemeine Berechnungen in CPUs und GPUs verwendet werden. Während ASIC-Anwendungen von einem einfachen Infotainmentsystem im Fahrzeug bis hin zu einem nationalen Telekommunikationsnetzwerk-Steuerungssystem reichen können, sind die ASICs von Phison für die Steuerung von Speichergeräten konzipiert, die mit NAND-Flash-Speicher-ICs ausgestattet sind.

Unterschiedliche Speicher-ICs können unterschiedliche „Antriebsstile“ erfordern, um den Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Diese einzigartigen Anforderungen werden durch IC-Anpassung erreicht. Der Grad der Individualisierung bestimmt die Flexibilität für Funktionen und Features.

Phison entwickelt ICs für eine Vielzahl von Anforderungen

Phison ist auf die durchgängige kundenspezifische Gestaltung von IC-Designs spezialisiert. Seine NAND-Flash-Speicher-Controller-ICs sind vollständig kundenspezifische Lösungen mit Funktionsmodulen, die auf die beste Steuerung von Speicher-ICs zugeschnitten sind. Phison liefert seit über 20 Jahren führende Lösungen und investiert gleichzeitig kontinuierlich in technologische Forschung und Entwicklung, um an der Spitze des IC-Designs zu bleiben.

Seien Sie gespannt auf unseren nächsten Teil der IC 101-Blogserie, in der wir einen genaueren Blick auf den IC-Designprozess werfen.