Nacimiento de la Microelectrónica ENIAC. Tecnología Planar Circuito Integrado W. Shockley J. Bardeen W. Brattain

Transcripción

1 Nacimiento de la Microelectrónica ENIAC ELECTRONIC NUMERICAL INTEGRATOR AND COMPUTER es considerada la fecha de nacimiento de la Microelectrónica W. Shockley J. Bardeen W. Brattain Descubrieron el efecto transistor en Germanio Inventaron el transistor (BJT) VALVULAS DE VACIO Kg 450 m3 174 kw La US ARMY detuvo el proyecto por el altísimo coste de mantenimiento Circuito Integrado Tecnología Planar 1958 Procesos para producir un gran número de dispositivos simultáneamente en una oblea Difusión, oxidación, deposito, fotolitografía, Reducción de coste 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 Nacimiento del Silicon Valley 1957 Fairchild Semiconductors 1970 INTEL... Aplicaciones del SiO 2 John Moll, Carl Frosh Procés planar de Jean Hoerni

2 Primeras aplicaciones Transistor MOS Minuteman I 1962: TI recibe el encargo de diseñar 22 CI especiales Fairchild recibe encargos para fabricar CIs para la NASA % producción de CIs comprada por el ejercito USA 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 Evolución de los Microprocesadores 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 bits 45 instructiones Tecnología PMOS con puerta de polisilicio 3.6 x 2.8 mm transistores memoria + I/O chip + reloj = computadora Primer µp 4004 (1971) transistores µp (1984) transistores No a escala µp Pentium III (1999) transistores La invención del circuito integrado fue una revolución en el sentido que el hombre descubrió la tecnología para producir circuitos electrónicos en masa

3 Evolución Ley de Moore 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 Proyección Limitaciones Year in production (small series) Dimensions (nm) Memories Bits/chip (DRAM/flash) 1G 4G 16G 64G 256G Cost/bit (µcents of $) Chip surface (mm 2 ) Microprocesors Transistors/cm 2 (milions) Frequency (GHz) Chip surface (mm 2 ) Power supply (V) 1.5/ / / / /0.6 Power/chip (W) 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 MOORE TM

4 Actualidad: mundo centrado en las comunicaciones Actualidad: campos de aplicación www 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 Domotica Telecomunicaciones Instrumentación Industria alimenticia Automóvil Actualidad: microsistemas Actualidad: sistemas electrónicos Twezers CMOS Imager Gas sensor Gears La electrónica de consumo ha de ser: Digital Programable Adaptable al usuario Conexionable Multifuncional IR Sensor (IMEC) NeuronSensor (KNS) 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

5 Sistemas Electrónicos Diseño Microelectrónico: Qué es? Es la etapa de concepción y desarrollo en la realización de un Sistema Electrónico ESPEC. DISEÑO Especificar Implementar Verificar FABRIC. VALIDACIÓN PRODUC. Problemas: Complejidad Exactitud. Diseño perfecto a la primera Productividad Abordando la complejidad Abordando la complejidad Abstracción Jerarquía, Modularidad Metodología, Síntesis 60 s (Prehistoria): Diseño de máscaras con mylar 70 s: Digitalizador de máscaras Design Rule Checkers (DRC) Simuladores de circuitos Editores de layout 80 s: Estaciones de trabajo Simuladores lógicos Simulación RTL Diseño con Standard Cells Generadores de módulos 90 s: Síntesis lógica Analizadores temporales Verificación formal Diseño para el test Sistemas reconfigurables Funcional Estructural abstracto detallado Física RAM Reuso, IP RAM µc ASIC LOGIC S/P DMA DSP CORE A B C D A A

6 Abordando la complejidad Log # transistors 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 Technolog y 59% / year Design gap Time Design 25% / year Reuso, IP RAM S/P RAM µc DMA ASIC LOGIC DSP CORE