Introducción TEMA 1 TECNOLOGÍA DE LOS CI. ME Tema 1 Lección 1 Aspectos generales sobre diseño microelectrónico 1

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1 Introducción TEMA 1 TECNOLOGÍA DE LOS CI 1

2 ÍNDICE TEMA 1 ASPECTOS GENERALES SOBRE DISEÑO MICROELECTRONICO Evolución del diseño electrónico Proceso de fabricación y métricas de diseño Estrategias de diseño Metodología general de diseño Técnicas de síntesis Técnicas de verificación Técnicas de test Opciones de implementación tecnológica Full Custom Semi-Custom Celdas GateArrays PLDs FPGAs 2

3 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO Máquina de Babbage: La primera herramienta de cálculo automático (1832). Máquinas diferenciales Representacion decimal Almacén/Molino Sumador en pipeline 3

4 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO El primer computador electrónico (ENIAC 1946) Tubo de vacío Balística 25x3x2 m Alta Potencia tubos de vacío una división 24 ms 4

5 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO El primer transistor (1948). William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain Bell Laboratories Componentes discretos 5

6 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO El primer circuito integrado (1956). Tecnología Bipolar Familia Fairchild 6

7 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO Años 70 => éxito Familia TTL Tecnología bipolar (circuitos analógicos) y MOS (NMOS para circuitos digitales) Creación de Familia ECL (t prop <1ns) Primera DRAM de 1K y procesador 4004 de 4 bits (1971) de INTEL con tecnología PMOS 2300 transistores 740 KHz 7

8 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO Años 70 Diseños manuales sin herramientas CAD. Simulación con SPICE A finales de los 70: DRAM de 16 Kbits 8086 de 16 bits con tecnología NMOS (mayor velocidad que PMOS) Nacimiento de los miniordenadores Fases de diseño y fabricación se realizaban en las fábricas 8

9 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO Años 80 Procesos tecnológicos cada vez más complejos (mayores densidades de integración y aumento de velocidad) Separación entre proceso de diseño y de fabricación Se empiezan a desarrollar las metodologías y herramientas CAD Tecnologías aplicadas: BIPOLAR para circuitos analógicos CMOS se impone a la NMOS para el diseño de circuitos digitales (consumo pot.) BICMOS a finales de los 80. Desarrollo de circuitos híbridos aúnar: Vel / Consumo Desarrollo de los ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Alternativas de diseño: Full-custom, semicustom (gate-arrays, estándar cells) y lógica programable (PLD, CPLD, FPGA) 9

10 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO B/U Flujos de diseño ascendente (Bottom-Up) Circuitos semicustom y FPGAs Circuitos Full-custom 10

11 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO Años 90 Consolidación de los niveles físico y arquitectural Los dispositivos programables crecen en importancia frente a los ASICs Con el nacimiento del lenguaje VHDL (1987) comienza el diseño a nivel funcional o de comportamiento Reparto de tecnologías: CMOS (75% del mercado) BIPOLAR/ECL (15%) BICMOS (5%) NMOS y AsGa (5%) Desarrollo de los MCM (Multichip Modules) Microelectromechanical systems MEMS (microelectrónica+sensores+actuadores mecánicos) Avances de diseños mixtos (A/D/P) que incluyen dispositivos de potencia Implantación de sistemas complejos en un chip (SoC) -> cuello de botella: carencia de métodos y herramientas para abordar diseños de tal complejidad. 11

12 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO -NT Metodologías de diseño descendente (top-down). => Abstracción. Implantación de lenguajes de descripción hardware (Verilog y VHDL) y herramientas de simulación y síntesis. Automatización del diseño de sistemas complejos con hardware y software (Hw/Sw/Co-diseño). Herramientas EDA (Electronic Design Automation) y CASE (Computer Aided Software Engneering) fundamentales en el desarrollo del diseño electrónico Incremento de diseños mixtos. Simuladores, extensión del lenguaje VHDL-AMS (VHDL- Analog Mixed Signal). Modificación de las técnicas de síntesis. En tecnología submicrónica (0.3 micras) el 20% es debido a retardo de puertas y el 80% al interconexionado. Importancia del diseño físico (Floorplaning). Plataformas para el desarrollo electrónico: Nuevos procesadores (Pentium, Power-PC, etc), estándares informáticos (windows, NT, redes, etc), multimedia e Internet. 12

13 EVOLUCIÓN DISEÑO ELECTRÓNICO - MEMORIAS Evolución en la capacidad de integración de la memorias 13

14 EVOLUCIÓN DISEÑO ELECTRÓNICO - MEMORIAS nm 14

15 EVOLUCIÓN DISEÑO ELECTRÓNICO - PENTIUM Pentium (IV) transistores 1,5 GHz 15

16 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO -TRTs Evolución en el número de transistores para diseños populares 1,000, ,000 10,000 1, K 8086 i486 Pentium i Billon Pentium III Pentium II Pentium Pro Fuente: Intel

17 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO -TAM Evolución en el tamaño del dado (porción de silicio ocupada). 100 Tamaño (mm) P6 Pentium proc ~7% growth per year ~2X growth in 10 years

18 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO -FREQ Evolución en la frecuencia de funcionamiento Frecuencia (Mhz) El doble cada 2 años P6 Pentium proc

19 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO -POT Evolución en la disipación de potencia. 100 Potencia (Watts) P6 Pentium proc

20 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO -POT La limitación más importante Potencia (Watts) Pentium proc 18KW 5KW 1.5KW 500W

21 EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ELECTRÓNICO -POT Año Micro Transistores 0tros datos 1985: Intel : Intel : Intel Pentium 233 MHz 1995: Intel Pentium Pro 5.5 millones 1997: Intel Pentium II 7.5 millones 1999: Intel Pentium III 9.5 millones 250 nm 2000: Intel Pentium Ghz 2004: Intel Pentium 4 (Prescott) 90 y 65 nm 2006: Intel Core Duo 65 y 45 nm 2008: Intel Core Nehalem 731 millones 45 nm y 32 nm 4 núcleos 2010: Intel Core i7, i5 e i3 high-k metal gate 32 nm watt 2011: Intel Core Sandy Bridge AMD Fusion Durante los últimos años esa frecuencia se ha mantenido en el rango de los 1,5 GHz a 4 GHz El consumo de energía también se mantiene 21