Tema 1 Introducción a la electrónica

Transcripción

1 Tema Introducción a la electrónica Roberto Sarmiento 4º - Ingeniero Industrial UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Índice.2. Metodologías de diseño.3. Factores económicos.4. Aplicaciones 2

2 Objetivos. Mostrar la evolución de la tecnología electrónica 2. Comprender que nueva tecnología conlleva nuevas herramientas y técnicas 3. Conocer las nuevas tendencias en el diseño electrónico 4. Conocer los factores económicos que influyen en el desarrollo de sistemas electrónicos 5. Conocer las aplicaciones de la tecnología electrónica 3 58: primer circuito integrado Construido por Jack Kilby en Texas Instruments (Premio Nobel en 2000, 42 años después y a los 77 años) El circuito tenía un transistor, un condensador y una resistencia 2003 Microprocesador Intel Pentium 4 (55 millones de transistores) 52 Mbit DRAM (> 500 millones de transistores) 2005: 700 millones de transistores en un chip! Crecimiento continuado del 53% en los últimos 45 años Ninguna otra tecnología ha crecido tanto durante tanto tiempo Factor clave: miniaturización de los transistores Más pequeño más barato, más rápido, menos potencia! Está teniendo efectos revolucionarios en la sociedad 57: primer rectificador controlado de silicio (SCR) desarrollado por la General Electric 4 2

3 0 8 transistores fabricados en 2003 millones para cada persona del planeta Global Semiconductor Billings (Billions of US$) Year 5 47: William Shockley, Walter Brattain, and John Bardeen inventan el transistor bipolar de punta. Por ello recibieron el Premio Novel de Física en 56. El material que utilizaron era Germanio 6 3

4 58: J. Kilby de Texas Instrument inventa el primer circuito integrado, tambien usando Germanio. En 5 Robert Noyce (fundador de Intel) realizar el primer circuito integrado de Silicio usando deposición de vapor. En ese momento estaba en Fairchild Semiconductor. 7 Ley de Moore En 65, Gordon Moore notó que el número de transistores por chip se doblaba cada 8 o 24 meses Entonces hizo una predicción sobre la tecnología de semiconductores en la cual afirmaba que su efectividad se duplicaba cada 8 meses LOG 2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION Electronics, April,

5 Evolución de la complejidad Capacidad (Kbit/chip) μm μm μm μm Página de libro μm μm μm Libro μm 0.07 μm Enciclopedia 2h CD audio Memoria humana DNA humano Año Número de transistores,000,000 Crecimiento = 2x en.6 años! K 0 millones transistores Courtesy, Intel,000 0,000,000 0 Pentium III Pentium II Pentium Pro i486 Pentium i Projected Source: Intel 0 5

6 Tamaño del chip Courtesy, Intel Die size (mm) 0 P6 486 Pentium proc Crece el ~7% por año 4004 ~2X en 0 años Year El tamaño del chip crece un 4% para ajustarse a la Ley de Moore Pentium Pro tr tr tr. 2 6

7 Obleas de Silicio (wafers) 3 Disipación de potencia Power (Watts) P6 Pentium proc Year La potencia consumida por los procesadores no para de crecer Electrónica Courtesy, Industrial Intel - 4º ETSII 4 7

8 Disipación de potencia Power (Watts) Pentium proc 8KW 5KW.5KW 500W Year La potencia disipada será prohibitiva 5 Intel VP Patrick Gelsinger (ISSCC 200) If scaling continues at present pace, by 2005, high speed processors would have power density of nuclear reactor, by 200, a rocket nozzle, and by 205, surface of sun Business as usual will not work in the future. Al día siguiente las acciones de Intel bajaron un 8% Power Density (W/cm2) Hot Plate Nuclear Reactor Rocket Nozzle P6 Pentium proc Year 6 8

9 Semiconductor Industry Association forecast Intl. Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 7 Los transistores de señal y circuitos integrados base de la moderna época computacional pueden considerarse como una ª revolución tecnológica. Ahora, los conjuntos de semiconductores de alta potencia emergentes prometen una 2ª revolución: La electrónica de potencia jugará un rol crítico en el empleo eficiente de la energía y en la automatización industrial global en este siglo 8

10 .2. Metodologías de diseño Por qué se escala? La tecnología se reduce en factores de 0,7 cada generación Con cada generación se pueden integrar 2x funciones por chip el precio del chip no se incrementa significativamente, por lo que el coste de las funciones decrece en factores de 2x Pero cómo diseñar chips con número de funciones creciente? el número de ingenieros no se multiplica dos veces cada año! Por lo tanto, hay una necesidad de métodos de diseño más eficientes Explotar los diferentes niveles de abstracción.2. Metodologías de diseño gap 0,000,000 0,000,000,000,000,000 0,0000, Logic Tr./Chip Tr./Staff Month. x x x x x x x x 58%/Yr. compounded Complexity growth rate 2%/Yr. compound Productivity growth rate,000,000 0,000,000,000,000,000 0,000, Complexity Logic Transistor per Chip (M) Productivity (K) Trans./Staff - Mo. Source: Sematech La complejidad sobrepasa la capacidad de diseño 20 0

11 .2. Metodologías de diseño Niveles de abstracción SYSTEM MODULE + GATE CIRCUIT S n+ G DEVICE n+ D 2.2. Metodologías de diseño Tendencias en el diseño 22

12 .3. Factores económicos Precio de venta S total S total Ctotal = m m = margen de beneficios C total = Coste total Coste de ingeniería no recursiva (NRE) Costes recursivos Costes fijos Factores económicos NRE Costes de ingeniería Depende del tamaño del equipo de trabajo Debe incluir costes de entrenamiento (training) y amortización de equipos (ordenadores) Herramientas CAD: Digital front end: $0K Analog front end: $K Digital back end: $M Fabricación de prototipos Coste de las máscaras: $500k M (proceso de 30 nm) Test y encapsulado 24 2

13 .3. Factores económicos Costes recursivos Fabricación Coste de las obleas/(chips por oblea * Yield) Coste de las obleas: $500 - $3000 Chips por oblea: 2 r 2r N = π A 2A Yield: Y = e -AD Para A pequeña, Y, coste proporcional al área Para A muy grande, Y 0, el coste aumenta exponencialmente Encapsulado de cada uno de los chips a vender Test de cada uno de los chips a vender Factores económicos Costes fijos Documentación Marketing y publicidad Análisis del yield 26 3

14 .3. Factores económicos Time to market (TTM) Ventas V = Ventas totales del producto 2W = Vida del producto R = Retraso en la introducción del producto en el mercado Pérdidas en las ganancias V R( 3W R) Pérdidas = 2W Tiempo R W Vida del producto = 2W.3. Factores económicos Time to market (TTM) Vest W B R B2 Pérdidas Pérdidas % % 88, 36, 6,0% % 55,6 6,4 30,% % 25,0,0 44,4% % 7,2 27,8 56,8% 00 % 755,6 44,4 6,0% % 622,2 277,8 30,% % 500,0 400,0 44,4% % 388, 5, 56,8% % 5, 288, 6,0% % 244,4 555,6 30,% % 0,0 800,0 44,4% % 777,8 022,2 56,8% (Todas las cifras en M$) 4

15 .4. Aplicaciones Las aplicaciones son prácticamente infinitas y se extienden a casi todos los aspectos de la vida Automatización industrial Automoción Generación de energía eléctrica Energías renovables (energía eólica, fotovoltaica, etc.) Transmisión y distribución de energía Fuentes de alimentación Domótica Medicina Tecnologías de la información Electrónica de consumo Transporte de pasajeros/mercancías Comunicaciones Aeroespacial etc. etc Aplicaciones En casi todas las aplicaciones los microprocesadores y las comunicaciones están presentes 30 5