mercredi 29 juillet 2015

3D xpoint

Depuis 10 ans Intel et Micron travaillent conjointement sur un projet commun et voilà qu'ils on annoncés hier la mise en marché prochaine de cette nouvelle technologie. Il s'agit d'une mémoire persistance appellée 3D xpoint qui offre des performances nettement supérieure à la mémoire flash. Pour le moment cette mémoire n'est disponible que pour les manufacturiers pour essais et développement de produits. Mais elle devrais-être disponible chez les distributeurs de composants dès 2016.

De quoi s'agit-il?

Il n'y a pas grand détail mais à la lecture de l'annonce faites par Intel et cet article sur le site de la BBC, je crois comprendre qu'il s'agit d'une technologie de type memristor. Il n'y a pas de transistors ce qui permet une plus grande densité. Chaque bit de mémoire est constitué simplement d'un certain type de cristal dont la résistance varie lorsqu'un courant passe à travers celui-ci. Cette variation de résistance persiste après que le courant a cessé. Il s'agit donc d'une mémoire permanente.

Avantages

Par rapport à la mémoire flash cette mémoire a plusieurs avantages.

  • 1000 fois plus rapide que la mémoire flash NAND. Donc un MCU qui utiliserais ce type de mémoire pour stocker son programme ne serait pas limité à 40Mhz comme c'est le cas actuellement. Actuellement les MCU dont le core fonctionne au delà de 40Mhz utilisent des wait state et une forme de mémoire cache pour l'accès programme.
  • 1000 fois plus durable que la mémoire flash NAND. Donc un MCU qui utiliserais cette mémoire au lieu de la flash pourrait être reprogrammé un nombre illimité de fois sans crainte d'user la mémoire programme. Donc une application pourrait utiliser la mémoire programme pour stocker des données.
Donc en pratique sur un MCU il ne serait plus nécessaire de faire la distinction entre mémoire programme et mémoire RAM. En utilisant un coeur de type Von Neumann et seulement de la mémoire 3D xpoint on obtiendrais une mémoire totalement unifiée pour le MCU et l'état du système serait conservée en cas de rupture d'alimentation.

J'ai hâte de voir si les manufacturiers de MCU vont adopter cette technologie sous licence pour leur MCUs. Déjà Texas Instruments offre quelque chose dans le même genre avec sa propre technologie FRAM. La FRAM (Ferro Magnetic RAM) est une technologie différente du 3D xpoint mais qui est elle aussi persistance, plus endurante et plus rapide que la FLASH.

Il reste à voir à quel coût cette technologie sera disponible. Si c'est le même coût que la mémoire FRAM de TI les MCUs l'utilisant seront plus coûteux que ceux utilisant la mémoire NAND FLASH.

vendredi 24 juillet 2015

ionisation et fluorescence

Dans l'article précédent sur les DEL j'expliquais le fonctionnement des DEL par la quantisation des niveaux d'énergies dans les couches électroniques des atomes. Dans cet article je vais expliquer 2 autres phénomènes utilisés en électronique qui sont aussi des phénomènes quantiques. L'ionisation et la fluorescence.

enseigne au néon

Vous connaissez surement ces enseignes lumineuses qu'on appelle communément néon. On peut aussi se procurer sur le marché de petites ampoules au néon servant comme indicateur bien que celles-ci ont largement été remplacées par les DEL. Enseigne ou ampoule le principe de fonctionnement est le même, l'ionisation d'un gaz. Dans une tube ou une ampoule sous vide on introduit un gaz sous faible pression. Dans ce tube il y a 2 électrodes isolées l'une de l'autre. Si on applique un voltage suffisant à ces électrodes il y a production de lumière. Le phénomène est le suivant, le champ électrique arrache les électrons de l'atome. On dit d'un gaz dont les atomes perdu 1 ou plusieurs électrons qu'il est ionisé1. Mais les lois de la physique font en sorte que la matière cherche à se stabiliser au plus bas niveau d'énergie. Les atomes ionisés possèdent un charge positive qui attire les électrons. Ceux-ci retombent donc dans leur position initiale en émettant un photon. l'énergie de se photon donc sa longueur d'onde dépend de la différence d'énergie entre l'électron libre et l'électron capturé par l'atome. Un gaz ionisé n'émet pas une seule fréquence lumineuse mais plusieurs on appelle ces différentes fréquences lumineuse le spectre. Chaque élément chimique possède son propre spectre lumineux qui l'identifie de façon unique. C'est en faisant cette analyse spectrale que les astronomes parviennent à identifier les éléments chimiques qui composent les étoiles et l'atmosphère des autres planètes. Le néon semble orange ou rouge à l’œil parce que c'est la longueur d'onde dominante de son spectre. Si on remplace le néon par un autre gaz la couleur sera différente. Une enseigne au néon qui n'est pas rouge n'est pas en réalité une enseigne au néon mais contient plutôt un autre gaz et l'intérieur du tube est recouvert d'une substance chimique fluorescente. Les petites ampoules néon émettent une lumière orange mais si on augmente le voltage elle deviennent rouges. Si vous alimenter une ampoule néon en courant direct la luminosité sera centrée autour d'une seule des 2 électrodes, la plus positive car les électrons émis par l'autre électrode doivent avoir suffisamment d'énergie cinétique pour ionizer le gaz. Les électrons gagnent en vitesse en se déplaçant vers l'électrode positive. En courant alternatif la luminosité est centrée autour des 2 électrodes car les électrons se déplacent alternativement dans les 2 directions.

Neon light.jpg
« Neon light ». Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

indicateur neon A1A

Fluorescence

La première calculatrice que j'ai acheté dans les années 70 était de marque Rockwell et avait un affichage VFD Vacuum Fluorescent Display. A l'intérieur d'un tube de verre dans lequel on a fait le vide il y a plusieurs électrodes. Une cathode qui émet des électrons et des anodes recouvertes d'une substance chimique fluorescente. Entre la cathode et les anodes il y a aussi une grille. Cet agencement est semblable au tube électronique appelé triode sauf qu'il n'est pas conçu pour amplifier un signal mais pour émettre de la lumière. Donc un voltage positif sur une anode attire les électrons générés par la cathode ces électrons accélérés viennent frapper la substance chimique qui est sur l'anode. L'énergie de ces électrons ce communique aux électrons de la substance chimique qui sautent à un niveau d'énergie supérieur. Mais comme dans le cas d'un gaz ionisé les électrons retombent à leur niveau d'énergie initiale en émettant un photon.

Dans un VFD il y a une anode par segment d'affichage. Par exemple s'il s'agit d'une calculatrice on a 8 segments par chiffre en incluant le point pour les décimales. Chaque anode doit-être contrôlée individuellement. En fait l'affichage est multiplexée. C'est à dire qu'il y a une cathode par chiffre et seulement 8 électrodes partagées par tous les chiffres. Un seul chiffre est allumé à la fois. La persistance rétinienne nous fait croire qu'ils sont tous allumés simultanément. La grille elle sert a contrôler l'intensité de l'affichage. Si on applique un voltage négatif sur la grille il y aura moins d'électrons qui passeront de la cathode aux anodes.

Tube fluorescent

Qu'il s'agisse de fluo-compact ou de tube fluorescent le principe est le même et combine 2 principes l'ionisation d'un gaz et la fluorescence/phosphorescence2.

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« Leuchtstofflampen-chtaube050409 » par Christian Taube. Sous licence CC BY-SA 2.0 de via Wikimedia Commons.

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« 02 Spiral CFL Bulb 2010-03-08 (black back) » par Sun LadderTravail personnel. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Dans le tube il y a une faible pression de vapeur de mercure. Le champ électrique ionise le gaz mercure. Le gaz ionisé a un spectre qui émet principalement dans le violet et l'ultraviolet. l'intérieur du tube, comme pour les enseignes au néon de couleur variées, est recouvert d'une substance chimique fluorescente. Cette substance capte les photons ultraviolet et réémet dans le visible. Le spectre lumineux émis dépend de(s) substances utilisé(es). En passant les DEL blanches sont en fait des DEL bleues recouverte elle aussi d'une substance fluorescence. Lorsqu'on achète des tubes fluorescent ou des fluocompacte l'embalage spécifie le spectre d'émission par une température, 2700°, 3000°, etc. Cette température correspond à un autre concept de la mécanique quantique appelé émission du corps noir. Une basse température correspond à un éclaire plus jaune (doux) et une haute température à un éclairage plus bleu (dur). Un éclairage daylight correspond à un spectre d'émission qui se rapproche de celui-du soleil.

notes

  1. Lorsqu'un gaz contient suffisamment d'atomes ionisés pour devenir un conducteur électrique on parle alors de plasma. C'est ce qui se produit lors d'un orage électrique.
  2. Pour comprendre la différence entre fluorescence et phosphorescence voir l'article wikipédia.

vendredi 10 juillet 2015

DEL

DEL acronyme de Diode ElectroLuminescente. La plupart du temps j'utilise l'acronyme anglophone LED. Quel est la différence entre une DEL et une diode rectificatrice? Dans le principe de fonctionnement il n'y en a pas, les deux fonctionnent selon le même principe de mécanique quantique. Dans cet article j'explique la similitude et la différence entre ces deux types de diode.

A la jonction de P et N

A la jonction de semi-conducteurs P et N il se passe un phénomène mystérieux décris par la théorie de la mécanique quantique. Lorsque les électrons traversent cette jonction ils tombent dans des trous et émettent à ce moment un photon. Ces trous ne sont pas des "nids de poules" comme on appelle les trous dans l'asphalte au Québec. Pour que vous puissiez comprendre je vais expliquer ce qu'est une jonction bipolaire dans un semi-conducteur.

Commençons par le tableau périodique. Au dessus de chaque colonne il y a un chiffre romain suivit de la lettre A ou B. Ce chiffre romain correspond au nombre d'électrons de valence. Les électrons de valence sont les électron d'un atome qui participe aux liaisons chimiques. Ces électrons sont faiblement liés au noyau de l'atome et peuvent être libérés de l'emprise de celui-ci facilement. Il y a 3 colonnes qui intéressent les ingénieurs qui fabriquent des composants électroniques à base de semi-conducteurs: 13, 14 et 15. Dans la colonne 14 on retrouve le silicium et le germanium. Dans la colonne 13 le gallium et dans la colonne 15 l'arsenic.

Le silicium a 4 électrons de valence et est utilisé pour fabriquer la majorité des composants semi-conducteurs. Le gallium a 3 électrons de valence et l'arsenic en a 5. Si on forme un cristal avec de l'arséniure de gallium GaAs on obtient un semi-conducteur qui a en moyenne 4 électrons de valence. Les diodes rectificatrices sont fabriquées avec du silicium et les LED qui émettent dans le visible avec de l'arséniure de gallium.

Un semi-conducteur de type P est un semi-conducteur dans lequel a été ajouté un élément qui n'a que 3 électrons de valence. Ce qui a pour effet de créé des trous dans le réseau cristallin. C'est à dire qu'il manque des électrons pour assurer les liaisons atomiques. Le bore et l'indium sont souvent utilisés pour ce rôle.

Un semi-conducteur de type N est un semi-conducteur dans lequel a été ajouté un élément qui possède 5 électrons de valence. Dans ce cas on a un réseau cristallin qui a un surplus d'électrons. Le phosphore est souvent utilisé pour ce rôle.

Les semi-conducteurs de type P sont donc des capteurs d'électrons et les type N sont des donneurs d'électrons.

Dans une chambre à vide ou la galette de silicium ou d'arséniure de gallium est installée on bombarde celle-ci avec des atomes d'impureté, mettons des atomes de bore pour créer un semi-conducteur de type P. Ces atomes de bore s'installent dans le réseau cristallin. Ensuite on bombarde la galette avec des atomes de phosphore mais avec moins d'énergie pour qu'ils s'enfoncent moins profondément. On obtient ainsi une jonction bipolaire PN. C'est à dire une diode1.

Lorsqu'on applique une tension électrique positive sur l'anode par rapport à la cathode les électrons traversent la jonction et viennent combler le manque d'électron. Lorsqu'un électron comble l'absence d'un électron dans le réseau cristallin de type P il perd de l'énergie. En terme quantique il passe à un niveau d'énergie inférieur. Comme l'énergie ne se perd pas cette énergie libérée est émise sous forme de photon, c'est à dire de lumière. La longueur d'onde de ce photon ou si vous préférez sa couleur dépend de la différence d'énergie entre les 2 niveaux.

bandes d'énergie

Dans les conducteurs il y a toujours des électrons dans la bande de conduction. Dans cette bande l'énergie des électrons est plus élevée que dans la bande de valence. dans un semi-conducteur les électrons dans la bande de conduction sont plus rare, c'est pourquoi ils conduisent mal l'électricité. C'est lorsqu'un électron passe de la bande de conduction à la bande de valence qu'il libère le surplus d'énergie sous forme de photon. Dans les diodes au silicium l'énergie est plutôt libérée sous forme de phonon. Un phonon est une vibration qui se propage dan le réseau cristallin.

Barrière de potentiel et niveaux d'énergies

Dans la région à la jonction de la zone P et N il y a une zone appauvrie. Une zone ou l'influence du phosphore et du bore s'annule mutuellement. Cette zone forme une barrière qui empêche le courant de circuler à travers la jonction. Il faut que les électrons possèdent une énergie minimale pour franchir cette barrière. Cette valeur correspond au voltage minimum nécessaire pour que la diode conduise. Pour une diode au silicium c'est environ 0,65 volt. Pour les DEL ça dépend du type de DEL, pour les rouges c'est environ 2,1 volt, 2,4 pour les vertes et 3,4 pour les bleues.

La valeur de cette barrière de potentiel est lié à l'énergie nécessaire pour arracher les électrons au réseau cristallin. Pour les faire sortir de leur trou. L'énergie d'un photon est inversement proportionnel à sa longueur d'onde donc une DEL qui émet de photons bleus a une barrière de potentiel plus élevée qu'une DEL qui émet des photons rouges.

photo-sensibilité

On a dit que lorsqu'un électron tombe dans un trou il émet un photon dont l'énergie égale la différence d'énergie que l'électron dans la bande de conduction avait et celle qu'il a une fois coincé dans le réseau cristallin (bande de valence). Cette différence d'énergie s'appelle bande interdite ou band gap en anglais. Bande interdite parce que l'électron ne peut occupé un niveau d'énergie intermédiaire entre ces 2 niveaux. C'est ça la nature quantique de l'univers subatomique.

Si un électron émet un photon lorsqu'il tombe dans un trou le contraire est aussi vrai. Un photon peut déloger un électron de son trou en lui communiquant son énergie. En conséquence toute DEL est photo-sensible. Connectez un voltmètre aux électrodes d'une DEL et exposez celle-ci à la lumière. vous constaterez qu'il y a un voltage aux bornes de la DEL. couvrez la DEL et le voltage disparait. La jonction absorbe les photons et déloge des électrons du réseau cristallin. Il va sans dire que la DEL est particulièrement sensible à la même longueur d'onde qu'elle émet.

Sens unique

Au fait pourquoi une diode ne conduit que dans un sens? C'est simple les trous n'ont pas de mobilité se sont les électrons qui se déplacent dans le réseau. Si on applique le voltage positif sur la cathode les électrons s'éloignent de la jonction plutôt que de la traverser. la zone appauvrie s'élargie au lieu de se rétrécir. Cependant si le voltage est suffisamment élevé les électrons peuvent-être arrachés du réseau dans la partie P de la diode et traverser la jonction. le voltage ou ce phénomène se produit est la tension de claquage ou breakdown voltage en anglais. Lorsque cette tension est atteinte il se produit un phénomène d'avalanche. C'est à dire que les électrons ainsi délogés du réseau cristallin possèdent suffisamment d'énergie pour à leur tour déloger d'autres électrons. Le courant augmente donc rapidement et si le phénomène n'est pas contrôlé il conduit à la destruction de la diode. Les diodes zener utilisent ce principe d'avalanche.

notes

  1. Notez que bien que j'ai indiqué le bore dans le dessin comme impureté pour le côté P de la jonction en ce qui concerne les DEL l'aluminium et l'indium sont plutôt utilisés. Le bore lui est utilisé avec le silicium. Si vous consultez les feuillets de spécifications des DEL vous verrez des compositions du genre InAlGaP, InGaN/GaN ou GaAlAs. In pour indium colonne 13 donc 3 électrons de valence. Al pour Aluminium aussi dans la colonne 13 donc aussi 3 électrons de valence. N pour azote, colonne 15 donc 5 électrons de valence. As pour Arsenic colonne 15. Le choix des éléments dépend du niveau d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence, ce qui détermine la longueur d'onde.

jeudi 9 juillet 2015

CMOS

De nos jours les circuits intégrés logiques sont fabriqués sur des galettes de silicium monocristallin d'une pureté de 99,999 999 99% en utilisant la technologie appellée CMOS. Dans cette article j'explique ce qu'est la technologie CMOS.

Transistor à effet de champ

Le composant actif de l'électronique moderne est le transistor. Les premiers transistors mis en marché étaient basés sur le germanium et étaient de type bipolaires. Mais rapidement le silicium a remplacé le germanium et les transistors à effet de champ ont remplacé les bipolaires. Plus spécifiquement il s'agit de transistors MOSFET ce qui est un acronyme anglophone pour Metal Oxide Semiconductor Field Eeffect Transistor. Il y a 2 types de transistors MOSFET, P-MOSFET et N-MOSFET. Ensemble ils forment une paire complémentaire d'ou l'acronyme anglophone CMOS qui signifie Complementary Metal Oxide Semiconductor.

Complémentaire

Un transistor MOSFET a 3 électrodes, le Drain, la Source et le Gate. Le G est l'électrode de contrôle, c'est à dire qu'elle permet de contrôler le courant qui circule entre le drain et la source. Le semi-conducteur de silicium situé entre le drain et la source s'appelle Channel (canal). Ce canal est séparé du gate par une mince couche d'oxyde de silicium qui est un isolant électrique. Il n'y a donc pas de courant qui circule entre le gate et la source ou le drain. Le contrôle est assuré par le champ électrique entre le gate et le canal créé par la tension appliquée sur le gate.

structure d'un transistor MOSFET

Les transistors MOSFET utilisés dans les circuits logiques sont de type enrichi. Les transistors à enrichissement ne conduisent pas lorsqu'il n'y a aucun voltage entre le gate et la source. C'est parfait pour les circuits logiques, pas de voltage le courant ne passe pas, on applique un voltage et le courant passe, c'est naturellement binaire.

Dépendant de l'élément chimique utilisé pour enrichir1 le canal, le transistor sera de type P ou N. les symboles électroniques sont les suivants:

Les transistors N-MOSFET fonctionnent avec le drain à un voltage positif par rapport à la source et il faut appliquer un voltage positif sur le gate par rapport à la source pour les mettre en conduction.

Les transistor P-MOSFET fonctionnent avec le drain à un voltage négatif par rapport à la source et il faut appliquer un voltage négatif sur le gate par rapport à la source pour les faire conduire.

Une paire complémentaire est contruite comme ceci:

Lorsque l'entrée est au voltage Vss le transistor N-MOSFET est bloqué tandis que le P-MOSFET conduit on a donc à la sortie Vdd. L'inverse se produit lorsque l'entrée est à Vdd, on a donc un inverseur. Ce montage complémentaire est la base de toutes les portes logiques qui construisent un microprocesseur. A titre d'exemple voici le montage d'un NOR GATE:

Tenant que de ce qui est écris au paragraphe précédent vous pouvez comprendre le fonctionnement de ce circuit.

On pourrait très bien construire un ordinateur en utilisant des transistors élémentaires complémentaires comme le 2N700 qui un N-MOSFET et le TP0606N3 qui est un P-MOSFET. Cependant il en faudrait des milliers. James Newman a d'ailleurs entrepris un tel travail, sauf qu'il n'utilise pas de paires complémentaires, seulement des NMOS. Le premiers MCU comme le 6502 du Apple II était construit en NMOS. Mais les 6502 d'ajourd'hui frabriqués par Western Design Center sont en CMOS d'ou le C dans W65C02.

L'avantage du CMOS est la faible consommation de courant. En effet s'il n'y a pas de charge de branchée à la sortie aucun courant ne passe à travers le transistor qui est en conduction. Le courant ne circule entre les 2 transistors qu'au moment de la commutation. Pendant un bref instant les 2 transistors sont en conduction partielle lorsque le voltage sur le gate est à mi-chemin entre Vss et Vdd. Comme le circuit d'un MCU est construit de portes logiques dont les sorties sont branchées sur des entrées d'autres portes logiques, le seul courant qui circule à l'intérieur du MCU est le courant de transition entre 2 états. C'est pour cette raison que lorsqu'on met un MCU en sommeil profond, c'est à dire lorsque le signal clock est arrêté, il ne consomme que des nanoampères.

Ceci explique aussi pourquoi les manufacturiers nous disent de ne pas laisser les entrées flottantes. En effet ces entrées étant à très haute impédance réagissent à tous les champs électromagnétiques environnant ce qui fait commuter les portent d'entrées rapidement de façon aléatoire d'où une consommation accru du micro-contrôleur.


notes

  1. Pour avoir un semi-conducteur de type N on introduit dans le silicium des atomes qui ont 5 électrons de valence comme le phosphore, l'arsenic et l'antimoine. Pour obtenir un semi-conducteur de type P on introduit dans le silicium des atomes qui ont 3 électrons de valence comme le bore et l'indium. Ces éléments sont introduits en très faible quantité .