Nacimiento de la Microelectrónica 1947 ENIAC Circuito Integrado ...

Nacimiento de la Microelectrónica
1947
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)
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J. Kilby
Texas Instruments
1958
Circuito con dispositivos
conectados con cables a
mano (BJT + R)
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Circuito Integrado
R. N. Noyce
Fairchild Semiconductors
1959
Primer CI monolítico (FF, 2trts).
Dispositivos aislados mediante
uniones PN polarizadas en inversa.
Interconexión con pistas de Al
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ENIAC
1946- 1954
ELECTRONIC NUMERICAL INTEGRATOR AND COMPUTER
17.468 VALVULAS DE VACIO
27.000 Kg
450 m3
174 kW
1954. La US ARMY detuvo el proyecto por el altísimo coste de mantenimiento
Procesos para producir un gran número de dispositivos
simultáneamente en una oblea
Difusión, oxidación, deposito, fotolitografía, …
Reducción de coste
Nacimiento del Silicon Valley
– 1957 Fairchild Semiconductors
– 1970 INTEL
– ...
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Tecnología Planar 1958
Aplicaciones del SiO 2
John Moll, Carl Frosh
Procés planar de
Jean Hoerni

1962 100
1963 94
1964 85
1965 72
1966 53
1967 43
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Primeras aplicaciones
Minuteman I
1962:
TI recibe el encargo de
diseñar 22 CI especiales
1962-63
Fairchild recibe encargos para
fabricar CIs para la NASA
% producción de CIs comprada por el ejercito USA
Microprocesadores y memorias
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 4004
4 bits
45 instructiones
Tecnología PMOS con puerta de polisilicio
3.6 x 2.8 mm
2.300 transistores
4004 + memoria + I/O chip + reloj = computadora
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Transistor MOS
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
Evolución de los Microprocesadores
Primer µP 4004 (1971)
2.300 transistores
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µP 80386 (1984) 275.000
transistores
No a escala
µP Pentium III (1999)
9.500.000 transistores
La invención del circuito integrado fue una revolución en el sentido que el hombre
descubrió la tecnología para producir circuitos electrónicos en masa

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Evolución
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
Year in production
(small series)
1999 2002 2005 2008 2011
Dimensions (nm) 180 130 100 70 50
Memories
Bits/chip (DRAM/flash) 1G 4G 16G 64G 256G
Cost/bit (µcents of $) 60 15 5.3 1.9 0.66
Chip surface (mm 2 ) 400 560 790 1120 1580
Microprocesors
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Proyección
Transistors/cm 2 (milions) 6.2 18 39 84 180
Frequency (GHz) 1.2 1.6 2 2.5 3
Chip surface (mm 2 ) 340 430 520 620 750
Power supply (V) 1.5/1.8 1.2/1.5 0.9/1.2 0.6/0.9 0.5/0.6
Power/chip (W) 90 130 160 170 175
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Ley de Moore
Limitaciones
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

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

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Sistemas Electrónicos
Abordando la complejidad
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
Es la etapa de concepción y desarrollo en la realización de un
Sistema Electrónico
ESPEC. DISEÑO
Especificar
Implementar
Verificar
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Funcional
Física
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Diseño Microelectrónico: ¿Qué es?
FABRIC. VALIDACIÓN PRODUC.
Problemas:
Complejidad
Exactitud. Diseño perfecto a la primera
Productividad
Abstracción Jerarquía, Modularidad
Estructural
abstracto
detallado
Abordando la complejidad
Reuso, IP
RAM µC
RAM
S/P
DMA
ASIC
LOGIC
DSP
CORE
Metodología, Síntesis
A C D
B
A A

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
Reuso, IP
RAM µC
RAM
S/P
DMA
ASIC
LOGIC
DSP
CORE
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Technolog
y 59% /
Time
year
Design
gap
Design
25% /
year