Introducción n al diseño o digital VLSI
Qué es Microelectrónica? Ciencias y técnicas con las que se realizan y fabrican circuitos/sistemas electrónicos, sobre una pastilla de un semiconductor, lo que formará un circuito integrado Algunos términos - Chip: Es la parte activa del circuito integrado (CI) - Encapsulado en plástico, cerámica,... - Conectado al exterior por conductores metálicos (pines) - Un chip se toma como sinónimo de circuito integrado. No hay que confundir con circuito impreso, que es donde se colocan los circuitos integrados para formar las placas o tarjetas Pines Chip
cable pad core 6bits Flash A/D Converter [Weste]
Sectores implicados Industrias: Fabricación de circuitos integrados Microelectrónicas: fábricas (foundries), realización de CI s, etc. Electrónicas: computadores, audio y vídeo, etc. Otras: automóvil, lavadoras, etc. Investigación (I+D): Búsqueda de nuevos CI s y técnicas de realización Privados: departamentos de I+D de empresas del sector Públicos: universidades y centros públicos de I+D Enseñanza: Preparación de personal preparado Privados y públicos Sociedad: Consumo de aplicaciones y productos Acciones políticas nacionales (p.ej., CNM) y europeas (p.ej., Europractice)
Laboratorios Bell: 16 de diciembre de 1947 William Shockley (sentado), John Bardeen (izquierda) y Walter Brattain (derecha) http://www.cedmagic.com/history/transistor-1947.html
El transistor Shockley (1947) Bloque triangular de poliestireno con 2 contactos presionados por un resorte contra un cristal de Ge. Aplicando corriente&tensión a Ge da lugar a una amplificación
Ley de Moore (1965) El número de transistores por mm 2 en un circuito integrado se duplica cada 1,5 años Video en http://www.youtube.com/watch?v=3z8i-kmafui
Ejemplos de procesadores de Intel Año Transistores 4004 1971 2,250 8008 1972 2,500 8080 1974 5,000 8086 1978 29,000 286 1982 120,000 Intel386 processor 1985 275,000 Intel486 processor 1989 1,180,000 Intel Pentium processor 1993 3,100,000 Intel Pentium II processor 1997 7,500,000 Intel Pentium III processor 1999 24,000,000 Intel Pentium 4 processor 2000 42,000,000 Intel Itanium processor 2002 220,000,000 Intel Itanium 2 processor 2003 410,000,000
El mercado del diseño o de circuitos integrados Reto de diseño Aprovechar el crecimiento exponencial en funcionalidad con un incremento similar en productividad Condicionantes de mercado 1 er fabricante: 70% 2 o fabricante: 15% Resto: 15 % Fuente: FPGA Reuse Field Guide, Qualis Design Corporation, 2002.
Evolución n de los C.I. Tamaños relativos
Evolución n de los C.I. Incremento de funcionalidad
Evolución n de los C.I. Incremento de funcionalidad
producto microelectrónico proceso de fabricación proceso de diseño
Proceso de fabricación Datos del diseño (LAYOUT) Materias primas PROCESO DE FABRICACIÓN Proceso tecnológico: conjunto de procesos físico-químicos Capas del proceso y reglas de diseño: especifican cómo hacer las máscaras para obtener layout
Datos del diseño ( o (LAYOUT) Layout: Mapa del circuito descrito por los patrones geométricos del conjunto de capas que caracterizan a un determinado proceso tecnológico
Obtención de las obleas Proceso de fabricación Obleas Sílice Si Máscara Obtención de máscaras y actuaciones sobre las obleas Fuente Lente Oblea Yield: Nº de circ. buenos Nº total de circ. Testado del proceso obtención de chips (en su caso, encapsulado y test del CI)
Proceso de fabricación Obleas de 6 pulgadas [Hennessy & Patterson] 80 dados de 1.6 x 1.0 cm 2 Intel 80486 246 dados de 0.86 x 0.6 cm2 Cypress CI7C601
Pasos del proceso de fabricación
Pasos del proceso de fabricación http://jas.eng.buffalo.edu/
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Proceso de diseño APROXIMACIONES A LA IMPLEMENTACION DE CIRCUITOS Custom Semicustom Basados en celdas Automatización Prestaciones Basados en arrays Celdas estándar Celdas compiladas Macroceldas Predifundidos MPGAs Precableados FPDs
Metodologías de diseño full custom matriz de puertas celdas estándar FPGA
Proceso de diseño CONCEPCIÓN Y ESPECIFICACIONES OK? DISEÑO FINAL VERIFICADO FABRICACIÓN DISEÑO Y SIMULACIÓN NO SI VECTORES DE TEST PRODUCTO FINAL
Diseño Full-Custom Ventajas prestaciones densidad de diseño Diseño manual alto coste mucho tiempo para su presencia en el mercado
Diseño Full-Custom Justificable si coste amortizable por gran volumen de producción el bloque es reutilizable el coste no es un criterio primario Minima automatización pero indispensables: editor de layout chequeador de reglas de diseño extractor de circuitos simuladores
Diseño o con Celdas Estándar Diseño automático bajo coste poco tiempo para su presencia en el mercado Se dispone de: librería de componentes generadores de módulos bloques de circuito IP
Circuitos predifundidos Matriz de puertas NAND3 Biestable D a b c Clk D Q El diseñador sólo personaliza el conexionado a b c z
Diseño o con Dispositivos Precableados Arquitecturas basadas en planos AND-OR PLA PAL PROM PLA
Diseño o con Dispositivos Precableados FPGA FPGA (Field Programmable Gate Arrays) Estructura de alta densidad, constituidos por matrices de estructuras lógicas de granularidad variable, y de elementos programables para interconectarlas en una variedad de maneras.
FPGA Un FPGA está constituido por los elementos programables:
FPGA Un FPGA está constituido por los elementos programables: recursos de procesado
FPGA Un FPGA está constituido por los elementos programables: recursos de procesado puertos de entrada/salida
FPGA Un FPGA está constituido por los elementos programables: recursos de procesado puertos de entrada/salida red de interconexión
Ejemplo de FPGA Xilinx Spartan 3
Ejemplo de Familias de FPGA
Placas de evaluación
Flujo de diseño o con FPGA
FPGA Ampliar información en Canals_FPGAs_solo.pdf
Metodologías de diseño: CAD
Metodologías de diseño: Coste
El Futuro
Evolución n de la microelectrónica Longitud mínima de puerta μm 100 decenas de micras En los 40 años transcurridos se ha reducido 100 veces 10 1 0.1 0.01 Tecnologías submicrónicas decenas de nm 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Año
Evolución n de la microelectrónica Retraso ns 100 decenas de nanosegundos 10 1 0.1 0.01 decenas de picosegundos 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Año
10 De la microelectrónica a la nanoelectrónica nica 10000 1 1000 Micron Nanometer 0.1 100 0.01 10 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Nanotecnología La Nanotecnología es la creación de Materiales Funcionales, Dispositivos y Sistemas a través del control de la materia a escalas de longitud de los nanómetros y la explicación de nuevos fenómenos y propiedades de los materiales (Físicas, Químicas y Biológicas) a estas escalas de longitud.
Semiconductor Industry Association (SIA) 2004 Annual Report
Semiconductor Industry Association (SIA) 2004 Annual Report
Nanotubos FET nanotubo de IBM
Aplicación n de los nanotubos Pantallas flexibles con nanotubos Los nanotubos abren las puertas hacia un nuevo tipo de pantalla de televisión y monitores totalmente planos. Las pantallas serán extraorninariamente delgadas y planas, además de flexibles.
Nanoparticulas Sistemas autoensamblados Las nanoparticulas son bloques básicos que permiten construir nanoestructuras complejas. La nanotecnología molecular requiere el desarrollo de la autoreproducción y el autoensamblaje para la construcción de los sistemas.
Almacenamiento ultramasivo Proyecto Millipede (Milpies) de IBM Permite almacenar un trillón de bits (el equivalente a 25 DVDs). El medio de almacenamiento es una película delgada de material orgánico depositado sobre una superficie de silicio. Se realiza el contacto con la serie de puntas de silicio movidas en x-y.
Almacenamiento ultramasivo Proyecto Millipede (Milpies) de IBM
Inversión n en nanotecnología Fuente: Intel
Y Y qué más...?