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DESAFIOS DA MICROELETRÔNICA NO
BRASIL E NA UFPR
PROF. OSCAR C. GOUVEIA FILHO
ALGUNS EVENTOS HISTÓRICOS
ANO EVENTO1895 Marconi faz a primeira transmissão de rádio
1904 Fleming inventa o diodo a vácuo – início da Era da Eletrônica
1925 Lilienfield apresenta o conceito do dispositivo de efeito de campo
1947 Bardeen, Brattain e Shockley inventam o transistor bipolar nos laboratórios Bell
1956 Bardeen, Brattain e Shockley recebem o premio Nobel pela invenção do transistor bipolar nos laboratórios Bell
1958 Desenvolvimento do circuito integrado por Kylby – Texas Instruments e Noyce e Moore – Fairchild Semiconductor
2000 Kilby recebe o premio Nobel pela invenção do CI
LEI DE MOORE
LEI DE MOORE
LEI DE MOORE
Evolução nos níveis de integração
Ano Referência histórica Componentes por chip
1950 Componentes discretos 1 – 2
1960 SSI – Small-scale integration < 102
1966 MSI – Medium-scale integration 102 – 103
1969 LSI – Large-scale integration 103 – 104
1975 VLSI – Very large-scale integration 104 – 109
1990 ULSI – Ultra large-scale integration > 109
MERCADO MUNDIAL DA ELETRÔNICA
1992 US$ 1 Trilhão, aproximadamente 10% do PIB2000 US$ 4 Trilhões
Categoria Porção (%)
Circuitos para processamento de dados 23
Programas e serviços para processamento de dados 18
Eletrônica profissional 10
Telecomunicações 9
Eletrônica de consumo 9
Componentes ativos 9
Componentes passivos 7
Eletrônica industrial 5
Instrumentação 5
Eletrônica de escritório 3
Aplicações médicas 2
MERCADO BRASILEIRO
Déficit Comercial de Produtos Eletroeletrônicos
Jan-Dez 2001 - US$ 4.04 bilhões
Jan-Dez 2002 - US$ 5.80 bilhões
Variação – - 33%
Fonte: ABINEE
Importações de Produtos do Setor(US$ milhões) 2000 2001 2002
2002%2001
Automação Industrial * 801 966 776 -20%
Componentes Elétricos e Eletrônicos
6.610 6.116 5.090 -17%
Equipamentos Industriais 667 1.545 1.768 14%
GTD 213 338 279 -17%
Informática 1.080 1.038 733 -29%
Material Elétrico de Instalação 640 593 437 -26%
Telecomunicações 1.522 2.340 707 -70%
Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas 355 382 336 -12%
Total 11.887 13.318 10.125 -24%
Principais produtos eletroeletrônicos importados
TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS
Microeletrônica
Silício GaAs
CMOS Bipolar MESFET Bipolar
TECNOLOGIA BIPOLAR
• Tecnologia mais antiga - mais popular nas décadas de 60 e 70
• Operação em freqüências altas
• Alta transcondutância - aplicações lineares
• Menor densidade de integração relativa aos processos MOS
• Maior consumo de potência relativo aos processos MOS
• TTL, ECL, I2L
Construção do transistor bipolar
IEEE Spectrum, Jan. 99Transistor bipolar SiGe
base
emissor
coletor
TECNOLOGIA CMOS
• Baixo consumo estático de potência
• Alta densidade de integração
• Atualmente é a tecnologia mais utilizada
• Circuitos mistos analógicos e digitais no mesmo chip
•Tecnologia otimizada para circuitos digitais
VDD
VoutVin
MP
MN
polissilício de porta óxido SiO2
difusão de fonte ou dreno
substrato
canal de inversão
Estrutura
do MOSFET
canal N
p+n+n+
p-
+ VSB -
+ VGB -
+ VDB -
SG
D
B
L
W
ESTRUTURA CMOS
Transistores SOI
Porta
Óxido isolante
Camada fina de Si
Substrato de Si
Contatos de fonte e dreno
Metal
CLASSIFICAÇÃO DOS CIRCUITOS INTEGRADOS
CIRCUITOS INTEGRADOS (CI´s)
Digitais
Microprocessadores
Microcontroladores
Processadores digitais dedicados
Analógicos
AmplificadoresFiltrosModuladoresConversores A/D e D/A
AnalógicosBaixa freqüênciaRádio freqüência (RF)
Mistos Processadores digitais de sinais
Circuitos digitais
•Alta densidade de integração
•Ferramentas de projeto bastante desenvolvidas
•Projetista praticamente não trabalha a nível de transistor
•Utilização de linguagens de descrição de alto nível (HDL)
Circuitos Analógicos
•Menor densidade de integração
•Projeto manual
•Projetista trabalha a nível de transistor
•Conhecimento do comportamento físico do dispositivo
•Ferramenta básica : simulador de circuitos (elétrico)
Sistemas integrados
• baixo custo• baixo consumo de
potência• baixas tensões de
alimentação
EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS PORTÁTEIS
•Tecnologia CMOS
•Alta densidade de integração•Baixo consumo de potência•Escalamento Reutilização de projetos
SISTEMAS INTEGRADOS EM UM CHIP
PROPRIEDADE INTELECTUAL
Componentes virtuais
SILÍCIO20%
PROP. INT.80%
1997 2000
CRESCIMENTO DO VALOR DA PROPRIEDADE INTELECTUAL RELATIVA AO SILÍCIO
SILÍCIO50%
PROP. INT.50%
Processo de Projeto de um Sistema Integrado em um Chip
Derek K. Shaeffer et all, A 115-mW, 0.5 CMOS GPS Receiver with Wide Dynamic-Range Active Filters, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 33, NO. 12, DECEMBER 1998
FERRAMENTAS DE PROJETO(Electronic Design Automation - EDA)
FERRAMENTAS DE PROJETO
EDA (Electronic Design Automation)
Programas de computador que realizam diversas tarefas no processo de projeto de um circuito integrado
TIPOS DE FERRAMENTAS
• Ferramentas de validação do projeto - SIMULADORES• Ferramentas para “layout”
SIMULADORES
•Simuladores lógicos: Simulam o circuito a nível comportamental.
– Servem para verificar se o circuito realiza corretamente a função para a qual foi projetado.
– A descrição do circuito é feita no nível de funções lógicas.
– Os sinais de entrada e saída são estados lógicos (0, 1, X, Z).
– Aplicação: circuitos digitais.
•Simuladores de atraso (timing)
– Determinação do atraso na propagação de sinal em circuitos digitais
– Usam modelos simplificados para os dispositivos .
SIMULADORES
•Simuladores Elétricos
– Fazem a análise do comportamento elétrico do circuito
– Utilizam modelos mais complexos para os componentes
– Circuitos analógicos e digitais pequenos
•Simuladores Mistos
– Circuitos mistos analógicos - digitais
– Simulação elétrica e lógica
– Incluem modelos para a interface analógica/digitall
FERRAMENTAS PARA “LAYOUT”
PLANEJAMENTO GERAÇÃO SUPORTE
Planta do Chip
Alocador e Roteador
Planta dos Blocos
Geração deCélulas
Geração deBlocos
Montagem doChip
Verificação
Migração
Formatação de dados
FERRAMENTAS PARA GERAÇÃO DE LAYOUT
•Editores gráficos –O desenho das máscaras é feito manualmente na tela do computador.
–O layout é convertido em uma linguagem de especificação geométrica padronizada (CIF) que é usada na fábrica para gerar as máscaras.
•Geradores de dispositivos–Geram automaticamente o layout a nível de transistor ou de células. Nova geração do editores de layout. São caros para a pequena empresa.
•Roteadores: Programas específicos para fazer interconexões.
•Alocadores: Otimizar a alocação de células e blocos.
•Roteadores: Programas específicos para fazer interconexões.
•Compactadores: Usados para ajustar o layout às regras de projeto
•Compiladores de Silício: Geração automática de layout. Engloba
as ferramentas anteriores. Perda de flexibilidade, porém aumento na
velocidade de projeto. Muito caros para a pequena empresa.
FERRAMENTAS DE VERIFICAÇÃO
•Checadores de regras de projeto (DRC): Programas que verificam erros de violação de regras de projeto no layout.
•Layout versus esquemático (LVS): Fazem uma verificação cruzada entre layout e esquemático.
•Extrator de circuito: Programa que extrai o esquema do circuito a partir do layout. Usado para verificar se o layout corresponde ao circuito projetado e para determinar elementos parasitas. Asaída pode ser um “netlist” na linguagem utilizada pelos simuladores de circuitos.
FERRAMENTAS DE SUPORTE
FERRAMENTAS DE MIGRAÇÃO
•Reutilização de projetos
•Evolução dos processos de fabricação
PROJETO DE Cis NA UFPR
FERRAMENTAS
• MAGIC – Editor de layout – gratuito – LINUX
•L- EDIT - Editor de layout
• MENTOR GRAPHICS – Ferramenta Profissional
• SIMULADORES DE CIRCUITOS
RECURSOS PARA INTEGRAÇÃO
•MOSIS
O QUE FAZEMOS
GRADUAÇÃO: 2 DISCIPLINAS OPTATIVAS
• Projeto de circuitos integrados digitais ( 7o período )• Projeto de circuitos integrados analógicos ( 8o período )
PÓS-GRADUAÇÃO
• Modelagem do transistor MOS• Modelagem de elementos passsivos (indutores)• Projeto de circuitos integrados de RF• Projeto de circuitos integrados digitais
CI projetado pelo grupo de Microeletrônica do CIEL/UFPRusando a técnica de Sea-of- gates
Circuitos de RF