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Conferencia: “ Tendencias actuales en el diseño electrónico”
Profesor: Dr. Ing. Enrique Ernesto Valdés Zaldivar
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría
Facultad de Eléctrica
Centro de Investigaciones en Microelectrónica
La Habana, Cuba
Sumario
1. Desarrollo de la electrónica.
2. Evolución del diseño electrónico.
3. Aspectos relacionados con el diseño electrónico.
4. Tendencias actuales en el diseño electrónico.
5. Conclusiones.
Articulo de José Martí publicado en la revista “La América”,
Nueva York, Exposición de Electricidad ( marzo/1883)
…La disposición de los objetos anuncia ya el hermoso
desenvolvimiento y futura amplitud de la Ciencia
Eléctrica. Parece, leyéndola, que se ven los cimientos de
un gran edificio luminoso. En un grupo irán las máquinas
magneto-eléctricas y dinamo-eléctricas. En otro las
entrañas fecundas donde se elabora la electricidad: las
pilas y todos sus accesorios. Lo de telegrafía en otro
departamento y en otro lo de telefonía. El sexto grupo
será el de la luz eléctrica.
Ya el séptimo comprende mayor maravilla: el modo de
encerrar en una botella de cristal el rayo: todos los
medios conocidos de mover la electricidad, almacenarla
y llevarla de un lado al otro. De cables, hilos y cuanto
haga relación a ellos, será otro grupo...
Desarrollo de la Electrónica: primera mitad del siglo XX
1895: H.A. Lorentz plantea la existencia de cargas discretas llamadas
electrones.
1897: J.J. Thompson descubre la existencia de los electrones por vía
experimental. Braun construye el primer tubo de vacío Electrónico.
1904: Fleming inventa el diodo basado en un tubo de vacio.
1906: De Forest inventa la válvula de vacío de tres
electrodos (triodo o audion, primer dispositivo amplificador).
Desarrollo de la Electrónica permite la introducción de:
la radiodifusión comercial, la televisión y el radar.
Limitaciones asociados al uso de las válvulas de vació:
alto consumo de energía, gran volumen,
tiempo de vida limitado y su relativa fragilidad
Desarrollo de la Electrónica: Segunda mitad del siglo XX
La obtención de los dispositivos de estado sólido y su uso en la Electrónica
aceleran el desarrollo de esta rama de la ciencia y la tecnología
1948:
Invención del transistor
utilizando semiconductores
Desarrollo de la Electrónica: Segunda mitad del siglo XX
1960: Se obtiene el primer circuito integrado con el desarrollo
de la tecnología planar de silicio
Chip
Pines
1972: Se fabrica el primer
microprocesador
Desarrollo de la Electrónica: Segunda mitad del siglo XX
Moore (Presidente de Intel) en 1965 plantea que la cantidad de transistores
por unidad de área en el “chip” de silicio se duplica cada año y medio,
aproximadamente
Desarrollo de la Electrónica: Segunda mitad del siglo XX
¿Cómo es posible duplicar la cantidad de transistores por unidad de área
en el “chip” de silicio cada año y medio, aproximadamente?
Disminución de las reglas de diseño de los circuitos integrados
microelectrónicos en el período 1970-2000.
Desarrollo de la Electrónica: Segunda mitad del siglo XX
Clasificación de los circuitos integrados según su nivel de integración (J. Millman)
Años 80 del siglo XX:
El diseño de los circuitos integrados comienza a hacerse accesible fuera
del contexto de las fabricas de dispositivos semiconductores.
Surgen los dispositivos programables o configurables fuera de las Foundries
Años 90 del siglo XX:
Se desarrollan nuevas tecnologías:
Módulos multiichip (MCM), Microsistemas, System on chip (SOC),
System on Silicon, Sinterizado de Cerámicas a baja temperatura (LTCC)
A. Hernández “Introducción a la Nanoelectronica”,
Monografia, 2002, CIME-ISPJAE.
Gordon E. Moore.VLSI: some fundamental challenges,
IEEE spectrum, 1979.
…La Microelectrónica comenzó su desarrollo en 1960 con el invento de
la tecnología planar. Desde entonces se ha producido un desarrollo
impresionante de los circuitos integrados que ha permitido que la
cantidad de transistores por unidad de área en el “chip” de silicio se
duplique cada año y medio, aproximadamente, (ley de Moore). La
consecuencia inmediata de la ley de Moore es evidente; entre otras,
pueden señalarse el desarrollo de nuevas aplicaciones que abarcan
todas las esferas de la actividad humana (la industria, las
comunicaciones, la educación, la medicina, el medio ambiente, etc.).
Dado que la capacidad de las memorias de estado sólido es proporcional
al número de dispositivos que contienen, se infiere de la ley de Moore
que éstas duplican su capacidad cada 1,5 años permitiendo así la
aparición de computadoras mas potentes y otros sistemas digitales que
duplican sus prestaciones cada uno o dos años, manteniendo el mismo
costo o incluso disminuyendo sus precios.
Siglo XXI: De la Microelectrónica a la Nanoelectrónica
10
10000
1
1000
Nanometer
Micron
100
0.1
0.01
1970
1980
1990
2000
2010
10
2020
Escenario al comenzar el siglo XXI
A. Hernández “Introducción a la Nanoelectronica”,
Monografia, 2002, CIME-ISPJAE.
Al comenzar el siglo XXI, la tecnología de la microelectrónica
se acerca a la frontera de los 100 nanómetros. Por debajo de
los 100 nanómetros se hacen evidentes los fenómenos
cuánticos que determinan que los modelos para explicar el
comportamiento de los dispositivos electrónicos tengan que
basarse en las leyes de la Mecánica Cuántica en lugar de los
modelos de la Física Clásica utilizados en la Microelectrónica;
esto, conjuntamente con otras razones de tipo tecnológico y
económico lleva al surgimiento de una nueva etapa en el
desarrollo de la Electrónica basada en la Nanoelectrónica,
la que se espera pasará o ocupar el papel protagónico
en la fabricación de computadoras y en otras aplicaciones en
la próxima década.
La Nanoelectrónica es uno de los campos
de las Nanotecnologías
Richard P. Feynman. There's Plenty of Room at the
Bottom, An Invitation to Enter a New Field of Physics.
This transcript of the classic talk that Richard Feynman
gave on December 29th 1959 at the annual meeting
of the American Physical Society at the California
Institute of Technology (Caltech) was first published
in the February 1960 issue of Caltech's Engineering
and Science, which owns the copyright.
It has been made available on the web at
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
Evolución del diseño electrónico
Complejidad y niveles de abstracción de las fases del diseño electrónico
Evolución del diseño electrónico
Primera mitad del siglo XX
El diseño se basa en la inventiva de los ingenieros
Años setenta (siglo XX)
Los circuitos integrados se desarrollan completamente (diseño y fabricación)
dentro de las propias fabricas (foundries) de dispositivos semiconductores,
no siendo accesible este nivel de diseño fuera de este contexto
Proceso de diseño altamente manual y según las posibilidades de cada
tecnología.
No existe prácticamente ninguna herramienta CAD de ayuda al diseño, a
excepción del PSPICE (simulador de esquemas eléctricos con modelos
configurables según la tecnología)
Evolución del diseño electrónico
La funcionalidad del
circuito integrado no
puede ser modificada
una vez que el mismo
sale de la fabrica
CONCEPCIÓN
Y
ESPECIFICACIONES
FABRICACIÓN
¿OK?
DISEÑO
Y
SIMULACIÓN
NO
VECTORES DE TEST
DISEÑO FINAL
VERIFICADO
SI
PRODUCTO FINAL
Evolución del diseño electrónico
Años ochenta (siglo XX)
Se hacen realidad estrategias para independizar el proceso de diseño
del proceso de fabricación. El diseño de CIs comienza a hacerse accesible
fuera del propio contexto de las fábricas de semiconductores.
Enorme defasaje entre la tecnología y el diseño.
La tecnología adelanta el diseño.
Carencia casi absoluta de metodologías y herramientas de diseño.
Nuevas alternativas de desarrollo:
1. Diseño totalmente a la medida (full-custom)
2. Matrices de puertas predifundidas (semi-custom / gate-arrays)
3. Celdas estándar precaracterizadas (semi-custom / standard-cells)
4. Logica programble (FPGA, CPLD)
Evolución del diseño electrónico
Años noventa (siglo XX)
Se mantiene el defasaje entre la tecnología y el diseño. Comienza a ser
posible implantar sistemas completos dentro de un chip de silicio (SOC),
pero el problema vuelva a ser la carencia de métodos y herramientas para
abordar diseños de tal complejidad.
Implantación progresiva, en fase de consolidación, de los lenguajes de
Descripción de hardawre (VHDL, Verilog), junto con las herramientas
De simulación y síntesis.
Surge el codiseño hardware / software (Hw/Sw Co-Design)
Incremento de diseños analogicos y mixtos. Se utiliza el VHDL-AMS
(VHDL-Analog-Mixed-Signal)
Evolución del diseño electrónico
¿Cómo eliminar el defasaje entre la tecnología y el diseño?
Evolución del diseño electrónico
INTEGRACION
Ejemplo:
Técnicas avanzadas del diseño digital
1. Lenguajes de descripción de hardware
* VHDL y Verilog
* Herramientas CAD
2. Dispositivos programables
* FPGAs
3. Reusabilidad
* Modulos de propiedad intelectual (IP)
4. Codiseño Hardware / Software
Hardware para el diseño electrónico
Dispositivos físicos y circuitos integrados disponibles para el diseño electrónico
Digitales
Analógicos
C. I. SSI
Diodos
C. I. MSI
Transistores
C. I. LSI (SPLD)
Cuatro capas
C. I. VLSI (Memorias,
Amp. Operacionales
Microprocesadores,
C. Integrado Analógico
Microcontroladores,
C. Analógico Programable
CPLD, FPGA, DSP)
(FPAA)
Circuitos integrados programables o configurables físicamente
(Circuitos integrados cuya funcionalidad o prestaciones se definen
fuera de la fabrica de semiconductores)
Circuitos integrados de funcionamiento configurable
(Circuitos integrados especializados en leer secuencias de ceros y unos,
decodificar estas secuencias y ejecutar tareas (operación cíclica))
Formas de abordar el diseño electrónico según el tipo de
dispositivo utilizado en el circuito impreso.
1. Diseño con dispositivos discretos
2. Diseño con dispositivos discretos, SSIC, MSI y CIA
3. Diseño con dispositivos de funcionamiento configurable
(CPU, Memorias, Microntroladores, DSP)
4. Diseño con dispositivos programables
(LSIC, VLSIC, FPAA)
De 1 a 4:
* Disminuye el número de componentes físicas
* Aumenta el nivel de integración
* Aumenta la fiabilidad del circuito o sistema electrónico
Las variantes 3 y 4 combinan elementos de hardware y software en el
diseño, permitiendo lograr un producto de alto valor agregado
No se descarta ninguna variante.
El factor económico, tiene una fuerte influencia en la variante a utilizar.
Herramientas para el diseño electrónico.
1. Técnicas avanzadas para el diseño digital
2. Procesamiento digital de señales.
3. Uso del PC: Instrumentación virtual
Características de estas herramientas
•El proceso de diseño se extiende mas allá de la fabrica de
circuitos integrados
•Por medio del software se garantiza la funcionalidad del sistema.
•Permiten reducir el tiempo de diseño.
•Se puede lograr un producto de alto valor agregado
Tendencias actuales en el diseño electrónico.
1. Uso de elementos electrónicos configurables fuera de las foundrys
• Técnicas avanzadas para el diseño digital: SPLD, CPLD y FPGA
• Procesamiento digital de señales: DSP
• Instrumentación virtual: PC
2. Implementación de metodologías de diseño que permitan
eliminar el defasaje existente entre tecnología y diseño
Ejemplo: Técnicas avanzadas para el diseño digital
3. Uso de los Kits de desarrollo, los cuales combinan elementos
de hardware y software.
4. Reducción del Time to Market (tiempo en convertir una idea en un
producto comenrcial) Ejemplo: Progración de microcontroladores
con lenguaje C y no con lenguaje ensamblador
Retos para mantener el desarrollo de la
electrónica el país.
1. Dar respuesta a los problemas concretos de la realidad nacional
(pensar en soluciones integrales: desde la I+D hasta el mantenimiento)
2. Concebir productos con un alto valor agregado, donde se
combinen: el hardware, el software y un profundo know how en la
esfera de aplicación del producto
3. Desarrollar la nanoelectrónica en el país
4. Formación de los recursos humanos (pregrado y postgrado).
Acercar la formación a las formas actuales de desempeño actual de
un Ingeniero electrónico. Ejemplo:
Impartición de Electrónica Digital en la CUJAE (el estudiante tiene
planificado una actividad de 2 horas en un lab de PC en la quincena)
Extender experiencia a otras asignaturas ? Limitación de recursos.
Evaluación : proyecto problema real (limitación de recursos)
Esferas donde la electrónica puede tener
un gran impacto en los próximos años
1.Telecomunicaciones
2.Mecatrónica
3.Agricultura de Precisión
4.Instrumentación Medica Virtual
5.Aplicaciones de la nanoelectrónica
Conclusiones
1. El desarrollo tecnológico de la tecnología microelectrónica de fabricación
de circuitos integrados ha permitido aumentar la complejidad y el nivel de
integración de los circuitos integrados.
2. La tecnología se ha adelantado al proceso de diseño.
3. El diseño ha salido del entorno de la fabrica de semiconductores,
por medio de los circuitos integrados programables o configurables
físicamente.
4. Las técnicas avanzadas para el diseño digital, el procesamiento
digital de señales y la instrumentación virtual son tres herramientas
apropiadas para el diseño electrónico de circuitos y sistemas, que
permite lograr productos con un alto valor agregado.
5. Se ha presentado las tendencias actuales del diseño electrónico, asi
como los retos para mantener el desarrollo de la electrónica el país.