Nacimiento de la Microelectrónica 1947 ENIAC Circuito Integrado
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Nacimiento de la Microelectrónica ENIAC 1946- 1954 ELECTRONIC NUMERICAL INTEGRATOR AND COMPUTER 1947 es considerada la fecha de nacimiento de la Microelectrónica W. Shockley J. Bardeen W. Brattain 17.468 VALVULAS DE VACIO 27.000 Kg 450 m3 174 kW Descubrieron el efecto transistor en Germanio Inventaron el transistor (BJT) DMI 1954. La US ARMY detuvo el proyecto por el altísimo coste de mantenimiento DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Tecnología Planar Circuito Integrado • • • • • • • J. Kilby Texas Instruments 1958 Circuito con dispositivos conectados con cables a mano (BJT + R) • • • • • • DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez R. N. Noyce Fairchild Semiconductors 1959 Primer CI monolítico (FF, 2trts). Dispositivos aislados mediante uniones PN polarizadas en inversa. Interconexión con pistas de Al 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 – ... Aplicaciones del SiO2 John Moll, Carl Frosh Procés planar de Jean Hoerni DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez 1958 Transistor MOS Primeras aplicaciones • Minuteman I 1962: TI recibe el encargo de diseñar 22 CI especiales • Sin éxito • • 1962-63 Fairchild recibe encargos para fabricar CIs para la NASA • • 1962 1963 1964 1965 1966 1967 DMI 100 94 85 72 53 43 DMI DMI Evolución de los Microprocesadores 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 • • • • • • Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez 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 • • • • Menor disipación de potencia para controlar la misma corriente Menor superficie Permite mayor complejidad Operación más lenta % producción de CIs comprada por el ejercito USA Microprocesadores y memorias • 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 – – – – Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez • • 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 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 Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Primer µP 4004 (1971) 2.300 transistores µP 80386 (1984) 275.000 transistores µP Pentium III (1999) 9.500.000 transistores No a escala La invención del circuito integrado fue una revolución en el sentido que el hombre descubrió la tecnología para producir circuitos electrónicos en masa DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Ley de Moore 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 DMI DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Limitaciones Proyección MOORETM Year in production (small series) Dimensions (nm) Memories Bits/chip (DRAM/flash) Cost/bit (µcents of $) Chip surface (mm2) Microprocesors Transistors/cm2 (milions) Frequency (GHz) Chip surface (mm2) Power supply (V) Power/chip (W) 1999 2002 2005 2008 2011 180 130 100 70 50 1G 60 400 4G 15 560 16G 5.3 790 64G 1.9 1120 256G 0.66 1580 6.2 18 39 84 180 1.2 1.6 2 2.5 3 340 430 520 620 750 1.5/1.8 1.2/1.5 0.9/1.2 0.6/0.9 0.5/0.6 90 130 160 170 175 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 DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Actualidad: mundo centrado en las comunicaciones 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 www DMI • Domotica • • • Telecomunicaciones Instrumentación Industria alimenticia DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Actualidad: microsistemas Automóvil Automóvil Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Actualidad: sistemas electrónicos Twezers Gears La electrónica de consumo ha de ser: – Digital – Programable – Adaptable al usuario – Conexionable – Multifuncional Gears 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 CMOS Imager Gas sensor IR Sensor (IMEC) NeuronSensor (KNS) DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Sistemas Electrónicos Diseño Microelectrónico: ¿Qué es? Es la etapa de concepción y desarrollo en la realización de un Sistema Electrónico ESPEC. FABRIC. DISEÑO Especificar Implementar Verificar VALIDACIÓN PRODUC. Problemas: Complejidad Exactitud. Diseño perfecto a la primera Productividad DMI DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Abordando la complejidad Abordando la complejidad Abstracción 60’s (Prehistoria): Diseño de máscaras con mylar Funcional detallado Física 80’s: Estaciones de trabajo Simuladores lógicos Simulación RTL Diseño con Standard Cells Generadores de módulos Reuso, IP 90’s: Síntesis lógica Analizadores temporales Verificación formal Diseño para el test Sistemas reconfigurables Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Metodología, Síntesis abstracto 70’s: Digitalizador de máscaras Design Rule Checkers (DRC) Simuladores de circuitos Editores de layout DMI Jerarquía, Modularidad Estructural RAM S/P RAM DMA ASIC LOGIC DMI Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez µC DSP CORE A CD B AA Abordando la complejidad 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 S/P RAM DMA ASIC LOGIC DMI µC DSP CORE Evolución Sistemas Electrónicos – A. Diéguez Log # transistors Technolog y 59% / year Design gap Design 25% / year Time
