aula1_introdução

Professor: Sandro Haddad

Introduo a Projeto de

Circuitos Integrados

[email protected]

Sumrio

Breve introduo.

Histrico e evoluo da microeletrnica.

Lei de Moore

Processo de fabricao dos chips.

Avano da microeletrnica nos produtos.

Micro um prefixo que vem do grego antigo e significa pequeno.1 micrometro (m) = 1 milhonsimo do metro, 10-6m

Nano um prefixo que vem do grego antigo e significa ano.1 nanometro (nm) = 1 bilionsimo do metro, 10-9m

Ordem de grandeza

Nano

Molcula

carbono 60

100 milhes de vezes menor

A nanotecnologia e a natureza

A 60 anos atrs a vlvula

Dispositivos eletrnicos com 2 eletrodos separados por uma grade, enclausurados

dentro de um tubo de vidro vcuo.

Funcionava como chave ou amplificador.

Era a base da indstria eletrnica (rdios, telefones, computadores, TV, etc.)

Computadores baseados em vlvulas

De 1931 a 1959 Primeira Gerao (computadores baseados em vlvulas)

1944 Howard Haiken (Havard) e Tomas Watson (IBM) fabricam oprimeiro computador eletromecnico MARK I (18m de comprimento,2m de largura, 70 toneladas, constitudo por 7 milhes de peasmoveis e fiao de 800 Km). Multiplicao de 2 nmeros de 10 dgitosem 3 segundos.

De 1931 a 1959 Primeira Gerao (computadores baseados em vlvulas)

1946 Apresentado o primeiro grande computador eletrnico ENIAC(Electronic Numeric Integrator Analyser and Calculator). 200 m2, 30 ton., 18mil vlvulas, 10 mil capacitores e milhares de reles e resistores (consumode 150kW).

Realizava 5 mil operaes por segundo (Pentium a 150 MHz e capaz derealizar 300 milhes de operaes por seg.) e com memoria para 200 bits,bem menos do que uma simples calculadora de bolso atual.

Computadores baseados em vlvulas

Super-computador

http://www.top500.org

Jaguar: O computador mais potente do

mundo.

Comparativo entre vlvulas e transistores

VANTAGENS DO TRANSISTOR :

Os transistores possuem atualmenteum custo menor que a vlvula por

unidade. Tem um consumo menor que asvlvulas.

Dissipam menos calor. Possuem ainda um tamanho menorque as vlvulas equivalentes.

Podem ser combinados em umapastilha de forma a fazer um circuito

integrado.

Os semicondutores (Silicio, Germanio, etc.)

Os Bell Labs. Iniciaram as pesquisas em semicondutores nofinal dos anos 30.

Descobriram que os semicondutores tratados fisico-quimicamente para terem duas regies distintas e que podiam

atuar como condutores ou isolantes de corrente entre um ponto

Emissor e um Coletor.

E que este comportamento poderia ser controlado por um terceiro elemento, a Base.

1947 O primeiro Transistor

Cientistas do Bell Lab. Ganharam o Nobel em 1956.

A Histria dos Circuitos Integrados (CIs)

O primeiro Circuito Integrado (CI)

1958: First integrated circuit

Flip-flop using two transistors

Built by Jack Kilby at Texas Instruments

O primeiro Circuito Integrado (CI)

Bipolar logic

1960s

ECL 3-input Gate

Motorola 1966

Intel 4004 Micro-Processor

1971

1000 transistors

1 MHz operation

Intel Pentium microprocessor

2010

Intel Core i7 mprocessor

2.3 billion transistors

64 Gb Flash memory

> 16 billion transistors

Tipos de Transistores

Bipolar transistors

npn or pnp silicon structure

Small current into very thin base layer controls large currents between emitter and collector

Base currents limit integration density

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors

nMOS and pMOS MOSFETS

Voltage applied to insulated gate controls current

between source and drain

Low power allows very high integration

Taxa de crescimento

53% de crescimento mdio anual nos ltmos 50 anos

Nenhuma outra tecnologia cresceu to rpido e portanto tempo.

Crescimento devido miniaturizao dos transistores

Trans. menores mais baratos, mais rpido e menorconsumo de potncia!

Efeitos revolucionrios na sociedade.

Vendas anuais

>1019 transistors manufactured in 2008

1 billion for every human on the planet

Lei de Moore

Lei de Moore: Quantidade de transistores em um CircuitoIntegrado (CI), dobra a cada 2 anos.

Gordon Moore, a co-fundador da Intel, afirmou em 1965, que adensidade de transistores em um CI cresce a cada 2 anos.

Reduo no tamanho dos dispositivos permite um aumento nacomplexidade dos circuitos

Circuitos Microeletrnicos em Silicio (Chips), cresceram emcapacidade a partir de um simples transistor em 1950, para centenas

de milhares de transistores por chip, nos microprocessadodes e

dispositivos de memria atuais.

Lei de Moore

Lei de Moore

Lei de Moore: Quantidade de transistores em um CircuitoIntegrado (CI), dobra a cada 2 anos.

Fit straight line on semilog scale

Transistor counts have doubled every 26 months

1,000,000

100,000

10,000

1,000

10

100

1

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

8086

80286i386

i486Pentium

Pentium Pro

K1 Billion

Transistors

Source: Intel

Projected

Pentium II

Pentium III

Lei de Moore em Microprocessadores

Fit straight line on semilog scale


Lei de Moore em Microprocessadores

Lei de Moore em Microprocessadores Fit straight line on semilog scale


40048008

80808085 8086

286386

486Pentium proc

P6

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1970 1980 1990 2000 2010

Year

Tra

ns

isto

rs (

MT

)

2X growth in 1.96 years!

Transistors on Lead Microprocessors double every 2 years

Evoluo na complexidade

Segunda lei de Moore

Uma reduo no tamanho dos dispositivos permite um aumento nacomplexidade dos circuitos, e consequentemente, um aumento no custo de

fabricao dos CIs

Crescimento no Die Size

40048008

80808085

8086286

386486Pentium proc

P6

1

10

100

1970 1980 1990 2000 2010

Year

Die

siz

e (

mm

)

~7% growth per year

~2X growth in 10 years

Die size grows by 14% to satisfy Moores Law

Crescimento na Frequncia

P6

Pentium proc486

38628680868085

8080

80084004

0.1

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010

Year

Fre

qu

en

cy (

Mh

z)

Lead Microprocessors frequency doubles every 2 years

Doubles every

2 years

Crescimento no consumo de potncia

P6Pentium proc

486

386

2868086

80858080

80084004

0.1

1

10

100

1971 1974 1978 1985 1992 2000

Year

Po

we

r (W

att

s)

Lead Microprocessors power continues to increase

Crescimento no consumo de potncia

5KW 18KW

1.5KW

500W

40048008

80808085

8086286

386486

Pentium proc

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008

Year

Po

we

r (W

att

s)

Power delivery and dissipation will be prohibitive

Power will be a major problem

Densidade de potncia

40048008

8080

8085

8086

286386

486Pentium proc

P6

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010

Year

Po

we

r D

en

sit

y (

W/c

m2

)

Hot Plate

Nuclear

Reactor

Rocket

Nozzle

Power density too high to keep junctions at low temp

Lei de Moore

Reduo no tamanho da tecnologia

Minimum feature size shrinking 30% every 2-3 years

Reduo no tamanho dos Transistores

Wafer e pastilhas

Wafer e pastilhas

Single die

Wafer

O tamanho das Wafers

Quanto maior o tamalho das Wafers, melhor!!!

Custo por Transistor

0.0000001

0.000001

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012

cost: -per-transistor

Fabrication capital cost per transistor (Moores law)

Desafios no projeto de CIs digitais

Microscopic Problems Ultra-high speed design Interconnect Noise, Crosstalk Reliability, Manufacturability Power Dissipation Clock distribution.

Everything Looks a Little Different

Macroscopic Issues Time-to-Market Millions of Gates High-Level Abstractions Reuse & IP: Portability Predictability etc.

and Theres a Lot of Them!

?

Scaling

Technology shrinks by 0.7/generation

With every generation can integrate 2x more functions per chip; chip cost does not increase significantly

Cost of a function decreases by 2x

But How to design chips with more and more functions?

Design engineering population does not double every two years

Hence, a need for more efficient design methods Exploit different levels of abstraction

Nveis de abstrao no projeto

n+n+

S

GD

+

DEVICE

CIRCUIT

GATE

MODULE

SYSTEM

Mtricas no projeto de CIs digitais

How to evaluate performance of a digital circuit (gate, block, )? Cost

Reliability

Scalability

Speed (delay, operating frequency)

Power dissipation

Energy to perform a function

Oxidao trmica (Thermal Oxidation).

Fotolitografia (Photolithography).

Enriquecimento (Etching).

Dopagem por difuso (Dopant Diffusion).

Metalizao por evaporao (Metal

Evaporation).

Teste eltrico (Electrical Testing).

Fabricao simplificada do circuito integrado

Fabricao do wafer de silcio

Exhaust Via

Vacuum Pumps

and Scrubber

3 Zone

Temperature

Control

Gas Inlet

Vertical LPCVD Furnace

Quartz Tube

Oxidao trmicaDepois de purificados, os wafers de silcio so

colocados em um forno alta temperatura(900C < T < 1200C) na presena de oxignioou gua, de forma que a seguinte reaoocorra:

Si + O2 SiO2

ou

Si + 2H2O SiO2 +H2

Ao controlar a temperatura e o tempo de oxidao, possvel obter uma espessura de xido com uma grande acurcia.

Depois da oxidao , o wafer de silcio completamente coberto por dixido de silcio. Esta camada proteger o wafer durante o processo de dopagem.

A remoo seletiva do xido formada por:

Polmero fotosensvel luz ultra-violeta para cobrir o wafer.

Mscaras do circuito. Alinhamento do sistema. cido para enriquecer (retirar) o

xido a partir de aberturas criadas no polmero.

Fotolitografia e enriquecimento

Leiaute CAD de um somador completo

Viso isomtrica de um leiaute CAD

Dopagem

A dopagem o processo de implantao de ons. Ao adicionar essas impurezas no silcio, a condutividade aumenta. Tal condutividade pode ser controlada com pela quantidade de impureza.

Existem vrias tcnicas de dopagem, como por exemplo: difuso, deposio de vapor, bombardeamento inico, etc.

Neste ponto, o processo de oxidao +

fotolitografia + enriquecimento + difuso

pode ser repetido para produzir vrios

tipos de dispositivos eletrnicos

necessrios para um circuito.

Alguns sistemas modernos necessitam de

mais de vinte iteraes desta seqncia.

Repetindo o processo

Oxidao

Fotolitografia

Enriquecimento

Dopagem (Implantao

de ons)

Metalizao e testes

Graham Bell

Avano da (micro)eletrnica nos produtos

O primeiro telefone celular

Celular GSM simples

Smartphone

Analog Baseband

Digital Baseband

(DSP + MCU)

PowerManagement

Small

Signal RFPower

RF

Smartphone

Avano da tecnologia na fotografia

Algumas mudanas tecnolgicas

A tecnologia muda nosso comportamento

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