Download Nacimiento de la Microelectrónica 1947 ENIAC Circuito Integrado

Nacimiento de la Microelectrónica
ENIAC
1946- 1954
ELECTRONIC NUMERICAL INTEGRATOR AND COMPUTER
1947
es considerada la fecha de nacimiento
de la Microelectrónica
W. Shockley
J. Bardeen
W. Brattain
17.468 VALVULAS DE VACIO
27.000 Kg
450 m3
174 kW
Descubrieron el efecto transistor en
Germanio
Inventaron el transistor (BJT)
DMI
1954. La US ARMY detuvo el proyecto por el altísimo coste de mantenimiento
DMI
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
Tecnología Planar
Circuito Integrado
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•
•
•
J. Kilby
Texas Instruments
1958
Circuito con dispositivos
conectados con cables a
mano (BJT + R)
•
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•
•
•
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DMI
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
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
– ...
Aplicaciones del SiO2
John Moll, Carl Frosh
Procés planar de
Jean Hoerni
DMI
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
1958
Transistor MOS
Primeras aplicaciones
•
Minuteman I
1962:
TI recibe el encargo de
diseñar 22 CI especiales
• Sin éxito
•
•
1962-63
Fairchild recibe encargos para
fabricar CIs para la NASA
•
•
1962
1963
1964
1965
1966
1967
DMI
100
94
85
72
53
43
DMI
DMI
Evolución de los Microprocesadores
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
•
•
•
•
•
•
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
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
•
•
•
•
Menor disipación de potencia para controlar la misma corriente
Menor superficie
Permite mayor complejidad
Operación más lenta
% producción de CIs comprada por el ejercito USA
Microprocesadores y memorias
•
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
–
–
–
–
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
•
•
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
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
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
Primer µP 4004 (1971)
2.300 transistores
µP 80386 (1984) 275.000
transistores
µP Pentium III (1999)
9.500.000 transistores
No a escala
La invención del circuito integrado fue una revolución en el sentido que el hombre
descubrió la tecnología para producir circuitos electrónicos en masa
DMI
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
Ley de Moore
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 circuits
Electronics, 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
DMI
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Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
Limitaciones
Proyección
MOORETM
Year in production
(small series)
Dimensions (nm)
Memories
Bits/chip (DRAM/flash)
Cost/bit (µcents of $)
Chip surface (mm2)
Microprocesors
Transistors/cm2 (milions)
Frequency (GHz)
Chip surface (mm2)
Power supply (V)
Power/chip (W)
1999
2002
2005
2008
2011
180
130
100
70
50
1G
60
400
4G
15
560
16G
5.3
790
64G
1.9
1120
256G
0.66
1580
6.2
18
39
84
180
1.2
1.6
2
2.5
3
340
430
520
620
750
1.5/1.8 1.2/1.5 0.9/1.2 0.6/0.9 0.5/0.6
90
130
160
170
175
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
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DMI
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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
•
Control ambiental
– Ahorro de energía
– Analisis de contaminación
www
DMI
•
Domotica
•
•
•
Telecomunicaciones
Instrumentación
Industria alimenticia
DMI
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Actualidad: microsistemas
Automóvil
Automóvil
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
Actualidad: sistemas electrónicos
Twezers
Gears
La electrónica de consumo ha de ser:
– Digital
– Programable
– Adaptable al usuario
– Conexionable
– Multifuncional
Gears
Se le piden las mismas funciones
– En el hogar
– En los desplazamientos
– En el trabajo
Siempre, en cualquier sitio, ha de haber
consistencia con:
– Datos
– Interficies
CMOS Imager
Gas sensor
IR Sensor (IMEC)
NeuronSensor (KNS)
DMI
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DMI
Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez
Sistemas Electrónicos
Diseño Microelectrónico: ¿Qué es?
Es la etapa de concepción y desarrollo en la realización de un
Sistema Electrónico
ESPEC.
FABRIC.
DISEÑO
Especificar
Implementar
Verificar
VALIDACIÓN
PRODUC.
Problemas:
Complejidad
Exactitud. Diseño perfecto a la primera
Productividad
DMI
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Abordando la complejidad
Abordando la complejidad
Abstracción
60’s (Prehistoria):
Diseño de máscaras con mylar
Funcional
detallado
Física
80’s:
Estaciones de trabajo
Simuladores lógicos
Simulación RTL
Diseño con Standard Cells
Generadores de módulos
Reuso, IP
90’s:
Síntesis lógica
Analizadores temporales
Verificación formal
Diseño para el test
Sistemas reconfigurables
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Metodología, Síntesis
abstracto
70’s:
Digitalizador de máscaras
Design Rule Checkers (DRC)
Simuladores de circuitos
Editores de layout
DMI
Jerarquía, Modularidad
Estructural
RAM
S/P
RAM
DMA
ASIC
LOGIC
DMI
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µC
DSP
CORE
A CD
B
AA
Abordando la complejidad
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
Reuso, IP
RAM
S/P
RAM
DMA
ASIC
LOGIC
DMI
µC
DSP
CORE
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Log #
transistors
Technolog
y 59% /
year
Design
gap
Design
25% /
year
Time