ENIACocw.ub.edu/enginyeria-electronica/disseny-microelectronic-i/... · DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez 1962: TI recibe el encargo de diseñar 22 CI especiales

DMIDMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez

Nacimiento de la Microelectrónica

es considerada la fecha de nacimientode la Microelectrónica

W. ShockleyJ. BardeenW. Brattain

Descubrieron el efecto transistor en Germanio

Inventaron el transistor (BJT)

1947


ENIAC

ELECTRONIC NUMERICAL INTEGRATOR AND COMPUTER

1946- 1954

17.468 VALVULAS DE VACIO27.000 Kg450 m3174 kW

1954. La US ARMY detuvo el proyecto por el altísimo coste de mantenimiento


Circuito Integrado

• J. Kilby• Texas Instruments• 1958• Circuito con dispositivos

conectados con cables a mano (BJT + R)

• R. N. Noyce• Fairchild Semiconductors• 1959• Primer CI monolítico (FF, 2trts). • Dispositivos aislados mediante

uniones PN polarizadas en inversa.• Interconexión con pistas de Al


• Procesos para producir un gran número de dispositivos simultáneamente en una oblea

• Difusión, oxidación, deposito, fotolitografía, …• Reducción de coste

• Nacimiento del Silicon Valley– 1957 Fairchild Semiconductors– 1970 INTEL– ...

Procés planar deJean Hoerni

Aplicaciones del SiO2John Moll, Carl Frosh

Tecnología Planar 1958


1962: TI recibe el encargo de diseñar 22 CI especiales

1962-63Fairchild recibe encargos para fabricar CIs para la NASA

1962 1001963 941964 851965 721966 531967 43 % producción de CIs comprada por el ejercito USA

Primeras aplicaciones

Minuteman I


Transistor MOS

• En muchas ocasiones se trató construir un dispositivo con comportamiento de efecto de campo: estructura capacitiva para modular la concentración de portadores en un semiconductor

• Sin éxito

• El problema estaba en la existencia de demasiados estados superficiales, que impedían la existencia de un campo eléctrico en la superficie del semiconductor

• El uso de una capa de SiO2 reduce la concentración de estados superficiales

• En 1960 M. M. Atalla y D. Khang fabrican el primer MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

• Comparación MOS - bipolar – Menor disipación de potencia para controlar la misma corriente – Menor superficie– Permite mayor complejidad– Operación más lenta


Microprocesadores y memorias

• El MOSFET ofrecía un gran potencial• R. Noyce, G. Moore y A. Grove dejan Fairchild y fundan INTEL en

1970• El mismo año presentan el primer chip semiconductor de

memoria• 1K DRAM• Celda Básica: 3 transistores• Tecnología PMOS con puerta de polisilicio

• En 1971, F. Faggin y E. Hoff, de INTEL, diseñaron y fabricaron el primer microprocesador 4004

• 4 bits• 45 instructiones• Tecnología PMOS con puerta de polisilicio• 3.6 x 2.8 mm• 2.300 transistores

• 4004 + memoria + I/O chip + reloj = computadora


µµµµP 80386 (1984) 275.000 transistores

µµµµP Pentium III (1999) 9.500.000 transistores

Evolución de los Microprocesadores

No a escala

Primer µµµµP 4004 (1971) 2.300 transistores

La invención del circuito integrado fue una revolución en el sentido que el hombre descubrió la tecnología para producir circuitos electrónicos en masa


Evolución• Desde 1970 se ha producido una carrera trepidante para aumentar

la complejidad de los CIs– Microprocesadores mas rápidos– Mayor capacidad de memoria

• Gordon Moore predijo esta evolución en 1965 (revisada en 1975)Cramming more components onto integrated circuitsElectronics, Vol. 38, Num 8, April 19, 1965

El número de transistores por chip se dobla cada 18 meses

• Gran desarrollo debido a:– Incremento del área de un chip– Reducción de dimensiones– Menor densidad de defectos


Ley de Moore


Year in production(small series) 1999 2002 2005 2008 2011

Dimensions (nm) 180 130 100 70 50Memories

Bits/chip (DRAM/flash) 1G 4G 16G 64G 256GCost/bit (µcents of $) 60 15 5.3 1.9 0.66Chip surface (mm2) 400 560 790 1120 1580

MicroprocesorsTransistors/cm2 (milions) 6.2 18 39 84 180Frequency (GHz) 1.2 1.6 2 2.5 3Chip surface (mm2) 340 430 520 620 750Power supply (V) 1.5/1.8 1.2/1.5 0.9/1.2 0.6/0.9 0.5/0.6Power/chip (W) 90 130 160 170 175

Proyección


Hoy en dia se necesitan unos 1000 electrones para activar la puerta de un MOSFET En el 2010 seran necessarios 8. En el 2020 sólo 1 !!

Pero:Limitaciones ECONOMICAS

LimitacionesMOORETM


www

Actualidad: mundo centrado en las comunicaciones


Actualidad: campos de aplicación• Automovil

– Control del motor (eficiencia, contaminación)– Interficies de usuario (llave, espejos, elevalunas)– Seguridad (Airbag)

• Aeronautica y defensa

AutomóvilAutomóvil

• Control ambiental– Ahorro de energía– Analisis de contaminación

• Domotica• Telecomunicaciones• Instrumentación• Industria alimenticia


Actualidad: microsistemas

CMOS Imager

IR Sensor (IMEC)

Gas sensor

Twezers

Gears

Gears

NeuronSensor (KNS)


La electrónica de consumo ha de ser:– Digital– Programable– Adaptable al usuario– Conexionable– Multifuncional

Se le piden las mismas funciones– En el hogar– En los desplazamientos– En el trabajo

Siempre, en cualquier sitio, ha de haberconsistencia con:

– Datos– Interficies

Actualidad: sistemas electrónicos


Sistemas Electrónicos


Es la etapa de concepción y desarrollo en la realización de un Sistema Electrónico

ComplejidadExactitud. Diseño perfecto a la primeraProductividad

Problemas:

ESPEC. DISEÑOEspecificarImplementarVerificar

FABRIC. VALIDACIÓN PRODUC.

Diseño Microelectrónico: ¿Qué es?


60’s (Prehistoria):Diseño de máscaras con mylar70’s: Digitalizador de máscarasDesign Rule Checkers (DRC)Simuladores de circuitosEditores de layout80’s: Estaciones de trabajoSimuladores lógicosSimulación RTLDiseño con Standard CellsGeneradores de módulos90’s: Síntesis lógicaAnalizadores temporalesVerificación formalDiseño para el testSistemas reconfigurables

Abordando la complejidad


EstructuralFuncional

Física

abstracto

detallado

Abstracción Jerarquía, Modularidad

A AAB

C D

Metodología, Síntesis

Abordando la complejidad

RAM µCRAM

DSPCORE

ASICLOGIC

S/P

DMA

Reuso, IP


El diseño de CIs ha de manejar– Sistemas integrados (SoC)– Complejidad creciente– First time silicon – Hardware y software– Alta velocidad / Bajo consumo

Se requiere un proceso de diseño– Predecible en el tiempo y en prestaciones– Eficiente

Los elementos clave son – Reuso (IP)– Silicon prototyping

RAM µCRAM

DSPCORE

ASICLOGIC

S/P

DMA

Reuso, IP

Abordando la complejidad Log # transistors

Time

Technology 59% /

year

Design 25% / year

Designgap

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