Un FPGA

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13912 (2022) Citare questo articolo

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I sistemi elettronici stanno diventando sempre più onnipresenti man mano che il nostro mondo si digitalizza. Allo stesso tempo, anche i componenti di base stanno sperimentando un'ondata di miglioramenti con nuovi transistor, memristori, riferimenti di tensione/corrente, convertitori di dati, ecc., progettati ogni anno da centinaia di gruppi di ricerca e sviluppo in tutto il mondo. Fino ad oggi, il cavallo di battaglia per testare tutti questi progetti è stata una suite di strumenti da laboratorio tra cui oscilloscopi e generatori di segnali, per citare i più popolari. Tuttavia, man mano che i componenti diventano più complessi e il numero di pin aumenta, anche la necessità di strumenti di test più paralleli e versatili diventa più pressante. In questo lavoro descriviamo e confrontiamo un sistema FPGA sviluppato che risponde a questa esigenza. Questo sistema di test per uso generale è dotato di un'unità misuratore di sorgente a 64 canali e \(2\volte\) banchi di 32 pin digitali per I/O digitale. Dimostriamo che questo sistema da banco può ottenere \({170}\,\hbox {pA}\) rumore di fondo attuale, \({40}\,\hbox {ns}\) erogazione di impulsi a \(\pm { 13,5}\,\hbox {V}\) e \({12}\,\hbox {mA}\) unità/canale di corrente massima. Mostreremo quindi l'utilizzo dello strumento nell'esecuzione di una selezione di tre compiti di misurazione caratteristici: (a) caratterizzazione corrente-tensione di un diodo e un transistor, (b) lettura completamente parallela di una serie di barre trasversali di memristori e (c) un non integrale -test di linearità su un DAC. Questo lavoro introduce un laboratorio di elettronica su scala ridotta racchiuso in un unico strumento che fornisce uno spostamento verso una strumentazione più economica, affidabile, compatta e multifunzionale per le tecnologie elettroniche emergenti.

Panoramica dello strumento. (a) Immagine dei PCB del sistema completamente assemblati, inclusa la scheda base, la scheda figlia di interfaccia del dispositivo in prova, la scheda di sviluppo FPGA e la scheda di alimentazione. (b) Diagramma a blocchi di alto livello dell'architettura del sistema che illustra il parallelismo e la modularità del sistema. Le connessioni analogiche sono mostrate in nero, le connessioni seriali sono mostrate in verde, le connessioni parallele sono mostrate in blu e le connessioni di alimentazione sono mostrate in rosso.

Il progresso delle tecnologie elettroniche si è basato su una solida base di strumenti di strumentazione che vanno dai singoli componenti, come amplificatori strumentali1 e convertitori di dati di fascia alta2, a strumenti con scheda a circuito stampato (PCB) di piccole dimensioni per misurazioni di parametri generalizzati3,4, strumenti da banco come oscilloscopi e generatori di segnali. Questi strumenti hanno definito i limiti di ciò che può essere misurato e testato e svolgono un ruolo significativo nel determinare la produttività dei laboratori di tutto il mondo. Infatti, è soprattutto quest'ultima che ha portato allo sviluppo di strumentazioni specialistiche come gli amplificatori lock-in5 e gli analizzatori di spettro6.

Nel corso del tempo, sia la varietà che la complessità dei circuiti sviluppati e che richiedono test aumentano. Ad esempio, consideriamo la storia della strumentazione per la comunità emergente dei dispositivi di memoria (compresi i memristor)7. Questi dispositivi agiscono come resistori sintonizzabili elettricamente e quindi richiedono strumentazione analogica per la loro caratterizzazione con test tipici quali spazzate di corrente-tensione e programmazione di impulsi a passi incrementali8. Inoltre, i dispositivi memristivi Resistive Random Access Memory (RRAM) sono molto frequentemente utilizzati come array di barre trasversali per eseguire prodotti punto9. Questa esigenza ha portato allo sviluppo di strumentazione leggera che enfatizza il parallelismo e la velocità di acquisizione dei dati rispetto alla pura precisione10,11,12. Ciò, a sua volta, ha comportato uno sforzo significativo nella progettazione dei circuiti per mitigare gli effetti legati ai percorsi nascosti13, che hanno dimostrato di portare a compromettere potenzialmente in modo catastrofico l'accuratezza della lettura attraverso una varietà di meccanismi di imperfezione14,15. Tuttavia, questi strumenti a livello di array furono presto sostituiti dalla crescente complessità degli array di crossbar RRAM con la diffusione del cosiddetto approccio "1T1R"16, in cui ciascun dispositivo RRAM è accoppiato con un "transistor selettore", richiedendo quindi ora un nuovo set di terminali di controllo per le porte dei transistor (come mostrato più avanti in Fig. 10). Parallelamente, i progressi nella tecnologia RRAM hanno portato a celle memristor capaci di gradazioni sempre più fini dei loro stati resistivi17, il che ha spinto verso l’alto i requisiti di precisione della strumentazione.