Introducción a la Tecnología Electrónica

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Andrés Robles Macías
hace 6 años
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1 Indice Indice... 2 Introducción a las tecnologías integradas... 3 Introducción a la Tecnología Electrónica Evolución histórica... 4 Primera ley de Moore. (1965)... 5 Datos reales de la evolución de microprocesadores:... 6 Escala de integración... 8 Costes de desarrollo Fabricación de circuitos integrados

2 Introducción a las tecnologías integradas El objetivo de la industria electrónica es construir dispositivos cada vez más pequeños, más rápidos y que consuman menos energía. Los circuitos integrados pueden ser: Componentes discretos. Como son las series 74xx, 54xx,..., puertas AND, OR, NOT, circuitos combinacionales, biestables, registros,..., cuya funcionalidad aislada resulta de poca utilidad, por lo que para hacer un circuito es necesario emplear una combinación de ellos insertados en una placa (circuito impreso). Se suelen llamar componentes estándar, ya que son fabricados en grandes cantidades y es el cliente el que los integra en sus circuitos. Existen libros de los fabricantes que indican para cada uno de sus circuitos estándar la funcionalidad y características físicas del componente. Componentes integrados. Son circuitos con una funcionalidad aislada. Suelen llamarse componentes personalizados, precisamente por eso, porque su funcionalidad sirve exclusivamente para un cliente (o unos pocos). Se fabrican sobre una misma oblea de silicio y por tanto se encapsula todo el circuito de forma integrada. La misma funcionalidad se podría hacer con componentes discretos, pero nunca se podrían alcanzar las mismas prestaciones. Nosotros nos dedicaremos a este tipo de circuitos. Existen varias familias lógicas de transistores, cada una asociada a un proceso distinto de fabricación y cada una con unas características distintas, nos centraremos en la familia CMOS. Evolución histórica La tecnología CMOS (Complemetary Metal Oxide Silicon) no es algo nuevo, en realidad el principio básico de funcionamiento de los transistores de efecto de campo se propuso en Los experimentos con este tipo de transistores llevaron a la invención del transistor bipolar, y el transistor de efecto de campo se dejó a un lado hasta la invención del proceso sobre placa de silicio Invención del circuito integrado Primera calculadora MOS. Años 70. Inicio de la tecnología CMOS. Primer simulador eléctrico SPICE T. Hoff inventa el microprocesador. Años Aparecen las puertas lógicas y simuladores lógicos. Años Aparecen los lenguajes de descripción de Hardware Se crea el primer circuito integrado con total funcionalidad con el método de litografía con ultravioleta profundo (deep UV) Se inventa el proceso de litografía por haz de electrones (electron beam) Se crea el primer MOSFET operando a más de 100GHz Se alcanza 50 Mill de instrucciones por segundo (MIPS) a 2,7V y 70 MIPS a 5 V en un DSP (Digital signal processor) Intel Pentium con 7,5 millones de transistores Producción de CI s con norma de 0,08 micras Se crea un circuito que imita el funcionamiento de la corteza cerebral. 3 4

Datos reales de la evolución de microprocesadores: Año de introducción Número de transistores 4004 1971 2,250 8008 1972 2,500 8080 1974 5,000 8086 1978 29,000 286

1999 24,000,000 Pentium 4 processor 2000 42,000,000 Primera ley de Moore. (1965).

Esta ley experimental y no demostrada se ha demostrado cierta hasta hoy.

3 Datos reales de la evolución de microprocesadores: Año de introducción Número de transistores , , , , , processor , DX processor ,180,000 Pentium processor ,100,000 Pentium II processor ,500,000 Pentium III processor ,000,000 Pentium 4 processor ,000,000 Primera ley de Moore. (1965). Gordon Moore se dio cuenta en 1965 de que el número de transistores que contenía un chip seguía aproximadamente una función exponencial con el tiempo. Esta ley experimental y no demostrada se ha demostrado cierta hasta hoy. El límite teórico, sería un transistor cuyo comportamiento viniera definido por un único electrón en su interior (SET: single electron transistor), en este caso, habría que tener en cuenta las leyes de la física cuántica. Es un salto cualitativo pero ya existen varios proyectos de investigación en esta línea, entre ellos IBM que anunció en Agosto de 5 6

4 2001 la creación de un transistor en una molécula (nanotubes technology), que no será aplicable hasta dentro de diez años. Será esta la última barrera a romper?. En cualquier caso, la tecnología electrónica viene rompiendo barreras consideradas infranqueables desde el principio de su historia, y esa es una característica necesaria para su evolución y para poder seguir la ley de Moore. Escala de integración Como hemos comentado, los objetivos de la industria electrónica es: A) Hacer transistores cada vez más pequeños, por tanto más veloces y con menor consumo. Al ser más pequeños tienen menos efectos capacitivos, por tanto son más veloces. Al consumir menos disipan menos calor por lo que se pueden integrar más transistores en un mismo encapsulado. B) Aumentar la cantidad de componentes en un circuito. Lo que abarata costes y también aumenta la velocidad, ya que una fuente de efectos capacitivos son las pistas externas a los circuitos integrados y sobre todo las conexiones (PINS), además de disminuir la probabilidad de fallo del circuito. Pero el coste fijo de desarrollo de un circuito integrado con un número muy alto de puertas es muy alto aunque su coste de fabricación sea pequeño, por lo que hay que elegir la escala de integración que deseamos en función del producto que queramos desarrollar (cantidad de unidades vendidas), habrá que tener en cuenta por tanto, lo que está dispuesto a absorber el mercado. La escala de integración se mide en puertas equivalentes NAND que contiene. Existen varias escalas de integración, cada una de ellas con unas siglas identificativas: A) SSI. Short Scale of Integration puertas equivalentes. B) MSI. Medium Scale of Integration puertas equivalentes C) LSI. Large Scale of Integration puertas equivalentes. D) VLSI. Very Large Scale of Integration puertas equivalentes. E) ULSI. Ultra Large Scale of Integration. > puertas equivalentes. 7 8

Costes de desarrollo. evidente es que es necesario que la demanda también crezca más que linealmente (al menos) para rentabilizar las crecientes inversiones.

5 Costes de desarrollo. evidente es que es necesario que la demanda también crezca más que linealmente (al menos) para rentabilizar las crecientes inversiones. Como todas las industrias, la electrónica se ve influenciada por los ciclos económicos, pero en este caso, esta industria es mucho más sensible que la media. En los años se tenía un mercado débil, porque se había invertido mucho en años anteriores en instalaciones y la oferta sobrepasaba a la demanda. Hacia el 2003, se empezó a invertir porque el mercado daba muestras de fortalecimiento, en el año 2004, la industria electrónica esta en un periodo de crecimiento de mercado y por tanto, se está invirtiendo intensivamente en nueva capacidad instalada. Vemos, por tanto, que la coyuntura económica influye mucho en las posibilidades de desarrollo de una compañía y del sector, y por tanto, en la creación de nuevas tecnologías. Ç En esta industria también se ve la misma pauta durante muchos años, siempre se ha dicho que se llegaba al límite de la escala de integración y de la velocidad, pero poco después aparecía una nueva tecnología y continuaba la evolución. En las siguientes gráficas se ve este fenómeno. Tenemos dos curvas que representan distintas tecnologías, una antigua y otra nueva, se ve que para unas determinadas características de funcionamiento del componente la tecnología más moderna ofrece precios más baratos. Y no solo eso, sino que la tecnología más moderna desplaza el límite tecnológico a mejores posibilidades para el componente. Es necesario remarcar que el imperativo principal va a ser el precio al que se puede vender el componente, nunca se podrá sobrepasar este límite. En cuanto al número de unidades fabricadas es necesario también hacer una puntualización, existe, para cada tecnología un número mínimo de unidades vendidas a cierto precio durante varios años para poder rentabilizar la inversión. Si se prevee que la demanda vaya a disminuir, entonces se ralentizará el proceso de innovación tecnológica. También vemos la llamada segunda ley de Moore, según incrementamos el número de transistores por chip (para reducir el coste por elemento de los circuitos integrados) se incrementa exponencialmente el coste de la fábrica en conjunto. La consecuencia Chip complexity (index to 1) Feature size, µm 2 0,25 0,08 Chip size increase, mm Wafer diameter, mm Facility automation, % Operational efficiency Equipment cost Defect levels, DPM 2% Incremento de costes: 9 10

6 a) Aumento de la superficie del chip b) Aumento del coste del equipo, al aumentar su complejidad Fabricación de circuitos integrados. Disminución de costes: a) Aumento del diámetro de la oblea de silicio b) Aumento de la automatización de las fábricas c) Aumento de la eficiencia de las fábricas d) Disminución de defectos por chip La fabricación de circuitos integrados se lleva a cabo en un ciclo de pasos que se repite tanto como 20 veces. Muchos chips se fabrican simultáneamente en una oblea de silicio a la que se le ha aplicado un recubrimiento sensible a la luz (1). Cada ciclo comienza con un patrón distinto, que se proyecta repetidamente sobre la oblea (2). En cada lugar donde cae la imagen, se crea un chip. El recubrimiento fotosensible se quita (3), y las areas expuestas a la luz son limpiadas por gases (4). Estas áreas se duchan con iones (son dopadas), creando los transistores (5). Los transistores son conectados por sucesivos ciclos añadiendo capas de metal y aislante (6)

exterior una vez encapsulado mediante cables de oro y las PADS: adaptadores de señal ya que en el interior tenemos pistas de

7 Este es el aspecto de la oblea una vez tenemos todos los circuitos integrados fabricados, antes de cortarlos se chequean aquellos que tienen error y se marcan, posteriormente se cortan y se crean las conexiones que lo conectarán con el mundo exterior una vez encapsulado mediante cables de oro y las PADS: adaptadores de señal ya que en el interior tenemos pistas de micras con intensidades muy pequeñas, y en el exterior tenemos pistas de milímetros e intensidades muy grandes comparativamente 13

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