Download - Aula1_Introdução
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Professor: Sandro Haddad
Introduo a Projeto de
Circuitos Integrados
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Sumrio
Breve introduo.
Histrico e evoluo da microeletrnica.
Lei de Moore
Processo de fabricao dos chips.
Avano da microeletrnica nos produtos.
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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
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Nano
Molcula
carbono 60
100 milhes de vezes menor
A nanotecnologia e a natureza
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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.)
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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.
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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
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Super-computador
http://www.top500.org
Jaguar: O computador mais potente do
mundo.
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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.
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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.
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1947 O primeiro Transistor
Cientistas do Bell Lab. Ganharam o Nobel em 1956.
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A Histria dos Circuitos Integrados (CIs)
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O primeiro Circuito Integrado (CI)
1958: First integrated circuit
Flip-flop using two transistors
Built by Jack Kilby at Texas Instruments
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O primeiro Circuito Integrado (CI)
Bipolar logic
1960s
ECL 3-input Gate
Motorola 1966
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Intel 4004 Micro-Processor
1971
1000 transistors
1 MHz operation
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Intel Pentium microprocessor
2010
Intel Core i7 mprocessor
2.3 billion transistors
64 Gb Flash memory
> 16 billion transistors
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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
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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.
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Vendas anuais
>1019 transistors manufactured in 2008
1 billion for every human on the planet
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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
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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
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Lei de Moore
Lei de Moore: Quantidade de transistores em um CircuitoIntegrado (CI), dobra a cada 2 anos.
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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
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Fit straight line on semilog scale
Transistor counts have doubled every 26 months
Lei de Moore em Microprocessadores
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Lei de Moore em Microprocessadores Fit straight line on semilog scale
Transistor counts have doubled every 26 months
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
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Evoluo na complexidade
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Lei de Moore
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Reduo no tamanho da tecnologia
Minimum feature size shrinking 30% every 2-3 years
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Reduo no tamanho dos Transistores
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Reduo no tamanho dos Transistores
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Wafer e pastilhas
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Wafer e pastilhas
Single die
Wafer
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O tamanho das Wafers
Quanto maior o tamalho das Wafers, melhor!!!
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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)
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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!
?
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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
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Nveis de abstrao no projeto
n+n+
S
GD
+
DEVICE
CIRCUIT
GATE
MODULE
SYSTEM
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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
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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
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Fabricao do wafer de silcio
Exhaust Via
Vacuum Pumps
and Scrubber
3 Zone
Temperature
Control
Gas Inlet
Vertical LPCVD Furnace
Quartz Tube
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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.
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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
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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.
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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)
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Metalizao e testes
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Graham Bell
Avano da (micro)eletrnica nos produtos
O primeiro telefone celular
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Celular GSM simples
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Smartphone
Analog Baseband
Digital Baseband
(DSP + MCU)
PowerManagement
Small
Signal RFPower
RF
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Smartphone
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Avano da tecnologia na fotografia
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Avano da tecnologia na fotografia
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Algumas mudanas tecnolgicas
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A tecnologia muda nosso comportamento
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A tecnologia muda nosso comportamento
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A tecnologia muda nosso comportamento
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A tecnologia muda nosso comportamento