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Ingeniería Técnica de Telecomunicación SS. EE.

Curso 3º

Microelectrónica I

2010/11

Resumen

TEMA 1. Tecnologías de integración de circuitos MOS 1.1 Aspectos generales del diseño de circuitos integrados. La microelectrónica es la aplicación de la ciencia electrónica a componentes y circuitos de dimensiones muy pequeñas para producir dispositivos y equipos electrónicos de dimensiones reducidas pero altamente funcionales. Un circuito integrado, es una pastilla muy delgada en la que se encuentra un número elevadísimo de dispositivos microelectrónicos interconectados. Su área es de tamaño inferior a un cm². Encapsulado: Soporte de material plástico o cerámico sobre el cual se dispone la pastilla semiconductora. Se le agregan bandas metálicas que conectan los puntos de entrada, salida y alimentación del chip a los terminales (“pines”) de conexión al exterior. Diseño Microelectrónico • Tecnología de CIs TIC • Sistemas inabordables con componentes discretos • Ventajas en tiempo de diseño y fiabilidad  Metodologías , herramientas y tecnologías microelectrónicas Complejidad de los CIs: • Millones de transistores • Frecuencias de operación elevadas • Restricciones estrictas de disipación • Tiempo en el mercado Necesidad de herramientas y metodologías basadas en: Automatización Abstracción Automatización: síntesis, análisis y verificación de los circuitos. Abstracción: Composición jerárquica de módulos.

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Proceso microelectrónico. Integración en un único sustrato de un elevado número de dispositivos, normalmente activos, para la realización de funciones electrónicas complejas.

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Hitos en el Desarrollo de la Electrónica. Principios del siglo pasado. Válvulas de vacío: Diodo 1904, Triodo 1906. Transistor FET (teórico). Julius Edgar Lilienfeld 1925. Años 40. Transistor de puntas. John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley 1947. (Bell Telephone Laboratories). Años 50. Transistor de unión. Shockley 1951. Circuito Integrado. Jack Kilby 1958 (Texas Instruments). Robert Noyce 1958 (Fairchild). Años 60. Transistor MOS práctico. Kahng Atalla 1960. (Bell Laboratories) Familias lógicas de circuitos integrados. Años 70. Primeros microprocesadores integrados (4004, 8008). Federico Faggin 1971, 1972 (Intel Corp.). Años 80. Circuitos VLSI. Años 90 Lenguajes de descripción hardware (HDLs). Principios del siglo presente. Circuitos ULSI. Sistemas en un solo ‘chip’ (SOCs, SoPCs). Codiseño Hardware-Software.

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Años 50 La verdadera revolución tecnológica se produjo en 1959 con la introducción del “circuito integrado” que se hizo posible a raíz de que las técnicas de fabricación de semiconductores condujeron a la tecnología “monolítica planar” Esta tecnología permitía obtener circuitos completos de transistores interconectados entre sí sobre un sustrato de silicio. Esta invención fue casi simultánea e independientemente anunciada por Jack Kilby (de Texas Instruments) y por Robert Noyce (de la firma Fairchild).

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Años 60. Los circuitos digitales están agrupados en familias. Cada miembro de una familia: - Se fabrica con la misma tecnología. - Tiene una estructura similar. - Exhibe las mismas características básicas. Criterios de selección de una familia lógica. - Versatilidad lógica - Velocidad - Inmunidad al ruido - Rango de temperaturas de operación - Disipación de potencia - Coste Los circuitos integrados crecieron rápidamente en complejidad, especialmente desde mediados de la década en que adquirieron importancia las tecnologías “MOS” (metal-óxido-semiconductor). Con el perfeccionamiento de los procesos de fabricación, la pastilla semiconductora fue creciendo en tamaño (desde 4 mm cuadrados en 1965 hasta 100 hoy) al mismo tiempo que disminuyeron las dimensiones de los dispositivos creados en ella. Esto último se debe a la reducción del tamaño del rasgo (“feature”), que es la más pequeña dimensión permitida por el proceso tecnológico, y que ha ido cayendo desde unas 37 micras en 1960 hasta cifras submicrónicas en la actualidad.

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Años 60. Familias lógicas de circuitos integrados. TTL ( transistor–transistor logic). - Baja integración. - Alto consumo. - Velocidad aceptables. CMOS - Capacidades de integración altas (>106 puertas) - Frecuencias altas (200-300 MHz) - Diferentes anchos de canal. 1.8:> 1.4 ns. 0.8: > 370 ps. 0.18: > < 100 ps. ECL - Más rápida (1 GHz). - Menos integración. - Más consumo. BiCMOS. - Más rápidos. - Similar integración. - Consumos mayores. AsGa. - Alta velocidad. - Baja integración.

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Años 70 Ley de Moore Establecida por Gordon Moore en 1965. Predijo que para 1975 existirían chips de 65.000 transistores. La complejidad de los dispositivos se duplica cada 16 meses.

Disminución del costo a razón de un 30% por año. Aumento de la fiabilidad. La interconexión de muchos transistores lograda por vía del proceso de fabricación, es de mucha mayor fiabilidad que la que se lograría conectando externamente el mismo número de transistores por separado. Ningún otro tipo de producto ha experimentado una evolución tan vertiginosa como lo ha hecho el circuito integrado. Los circuitos analógicos eran, en su mayoría, bipolares.

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Años 70

Primeros microprocesadores integrados.

Se desarrollaron componentes estándar para ser usados en sistemas electrónicos específicos. El diseño era casi enteramente manual y no existían recursos de CAD, salvo el simulador eléctrico SPICE. Surgieron las memorias de 1 Kbit en 1970 y el primer microprocesador de 4 bits en 1971 (4004). A fines de los ’70 aparecieron las memorias de 16 Kbits, los microprocesadores de 8 bits y el procesador 8086 de 16 bits.

Aparición de los minicomputadores, como nueva alternativa frente a los grandes mainframes

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Años 80 Los ingenieros diseñan circuitos integrados adaptados a una aplicación particular. Integran un sistema electrónico en un único dispositivo. Estos sistemas, además, tienen un menor coste y una mayor fiabilidad. Nacen así los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC). Ventajas de los ASIC’s. - Miniaturización. - Fiabilidad. - Eficiencia: o Velocidad. o Consumo. o Complejidad. Inconvenientes de los ASIC’s. - Financieros: o Costes elevados. - Técnicos: o Medios de diseño. o Personal especializado. o Concepción del producto. o Equipos multidisciplinares. Tipos de ASIC’s, según la función que van a realizar. - Circuitos estándar. - Circuitos de propósito específico.

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Años 80 Perfeccionamiento de los procesos litográficos que forman parte de la fabricación del circuito. Desarrollo de microcircuitos esenciales para computadores, como son los microprocesadores y las memorias. Es imposible diseñar manualmente, y resulta indispensable disponer de computadores apropiados y de poderosos recursos de software de ayuda al diseño (CAD, Computer Aided Design), que en un principio sólo estaban al alcance de grandes empresas. Surgen metodologías y herramientas CAD para el diseño de circuitos integrados, cubriendo los distintos niveles de abstracción: nivel funcional, nivel de arquitectura y nivel físico. A partir de 1978, con el auge de las estaciones de trabajo y poco después, de los computadores personales (PC), el diseño de chips pudo ser encarado por las universidades.

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Años 90 Crecen en importancia los dispositivos de lógica programada. Se consolidan los lenguajes de descripción del hardware y el flujo descendente (“top-down”). Se desarrollan métodos y herramientas para el diseño a nivel funcional. Tecnologías: CMOS con el 75 % del mercado y creciendo; bipolares con 15 %; BICMOS 5 %; otras (AsGa y NMOS TTL) el 5 %. Nuevas tecnologías de encapsulado. El proceso de diseño se puede relacionar con una pirámide, cuya cima corresponde al máximo nivel de abstracción, en el dominio funcional, con la mínima complejidad; y su base en el dominio físico, con el “layout” en el mínimo nivel de abstracción pero con la máxima precisión y complejidad. El dominio de estructura es intermedio, tanto en nivel de abstracción como en complejidad. Se diseña, en diversos niveles de descripción (jerarquías), partiendo desde el más abstracto (representación funcional o de comportamiento) hasta llegar al plano de la realización concreta.

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Fases de diseño

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Los Lenguajes de Descripción del Hardware Adoptaron conceptos de la Ingeniería del Software para la descripción y modelado del Hardware. Son similares a los lenguajes de programación de alto nivel (HLL). Tienen sintaxis y semántica definidas para facilitar el modelado y la descripción de circuitos electrónicos, desde las celdas de base de un ASIC hasta sistemas completos. Se han desarrollado y consolidado dos de ellos: º El VHDL, del Departamento de Defensa de EE.UU., fue adoptado por el IEEE como el HDL normalizado, en diciembre 1987, y tuvo agregados en 1993. º El VERILOG, de la firma Gateway; pasó más adelante a Cadence Design Inc. y en 1995 fue normalizado por el IEEE.

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¿Cuál puede ser la previsión de la evolución de la tecnología en el futuro próximo? La estimación de cuál puede ser la situación en un plazo de veinte o treinta años a partir del momento actual, entra dentro del campo de la especulación. Causas de avances espectaculares: Los avances en: Las técnicas de materiales. La creación de herramientas automáticas de diseño y simulación. Nuevos servicios en el ámbito de las TIC. Predicciones de la Semiconductor Industry Association

Características tecnológicas: Conjunto de rasgos que definen la calidad del proceso tecnológico que se ha utilizado. • Rasgo mínimo. • Número de transistores. • Número equivalente de puertas lógicas. • Tamaño del CI. • Frecuencia de reloj. • Número de conexiones de entrada/salida. • Número de niveles de conexionado. • Tensión de alimentación. • Corriente de alimentación. • Potencia disipada.

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Escalas de Integración SSI (Small Scale Integration) (Puertas lógicas)

Puertas/mm2 1-10

MSI (Medium Scale Integration) (Circuitos Combinacionales y Secuenciales)

10-100

LSI (Large Scale Integration) (Dispositivos de lógica programable)

100-1000

VLSI (Very Large Scale Integration)

1000-10000

ULSI (Ultra Large Scale Integration)

> 10000

Longitud mínima del canal de los transistores Año 1970 1980 1985 1992 2000 2010

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Longitud del canal 10 µm 5µm 2µm 0.5 µm 0.18 µm 0.070 µm

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Tipos de ASIC’s, según la filosofía de diseño.

- Circuitos integrados full-custom. o Se diseñan y fabrican todas las máscaras. o Útiles en grandes tiradas. o Tiempos altos de diseño y fabricación. - Circuitos semicustom. Standard Cell (CBIC, cell-based IC). o Elementos precaracterizados. o Se fabrican todas las máscaras. o Tiempo de fabricación alto (8 semanas).

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Tipos de ASIC’s, según la filosofía de diseño. - Circuitos programables. o Gate array (MGA, Masked Gate Array). Utiliza elementos predifundidos. Se generan las máscaras de metalización. Tiempos de fabricación menores (de 2 a 14 días). Tipos: • Gate Array con canal de interconexionado. • Gate Array sin canal o SOG array (Sea of Gates array). o PLD’s. (Programmable Logic Device).    

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No se realiza ninguna máscara. Son programados por el usuario. Diseños rápidos. Bajos costes. Útiles para pequeñas producciones. Bajas capacidades de integración. No se les suele considerar como ASIC’s. Tipos: • PAL, GAL • CPLD (Complex PLD) • FPGA (Field Programmable Gate Array)

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Evolución en el diseño de circuitos integrados. La evolución experimentada por el diseño de circuitos integrados, ha estado y seguirá estando en un futuro, vinculada a la productividad. Mejora la productividad si se mejora la eficiencia en convertir: • • • •

El CONCEPTO en ARQUITECTURA. La ARQUITECTURA en LÓGICA y MEMORIA. La LÓGICA y MEMORIA en CIRCUITOS. Los CIRCUITOS en LAYOUT.

Previsiones. • • • •

Desarrollo de nuevos dispositivos. Reducción de la tensión de Alimentación. Uso de aislantes con elevada constante dieléctrica. Aumento del número de niveles de metalización.

Problemática del Diseño de CI. • • • •

Crecimiento de la complejidad CI (nº. Transistores/chip). Mejora de la productividad de los diseñadores. Incremento número de personas involucradas en un proyecto. Equipos muy numerosos, poco eficientes y difíciles de gestionar.

Necesidad de mejora en aspectos alternativos. • • • • • •

Modelos. Simuladores. Dispositivos. Encapsulado. Métodos Numéricos/Algoritmos. Entornos de Simulación.

Últimos desarrollos • Transistor de 30nm para memorias. Debe estar en producción en 2011. • Descrito un transistor de 20nm. • Las FPGA se están adelantando a las previsiones.

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Etapas del proceso de diseño de un circuito integrado full-custom. • Partición en bloques del circuito. • Descripción de cada bloque mediante un editor de esquemáticos ó mediante un lenguaje de descripción hardware (HDL). • Obtención de un listado simplificado de las celdas lógicas del circuito y de las interconexiones que deben existir entre ellas. • Determinación de la topología de cada una de las celdas básicas del circuito. • Interconexión de celdas y bloques. En el caso de un diseño full-custom el diseñador debe además: • Indicar las distintas capas que se deben superponer durante el proceso de fabricación del circuito. • Comprobar las reglas de diseño que impone el fabricante. • Asegurar el correcto funcionamiento del circuito desde una perspectiva circuital. • Extraer transistores, resistencias y capacidades del circuito. La simulación completa y correcta del mismo dará paso a su fabricación.

Diseño de Circuitos Integrados

Diseño lógico

////

Diseño físico

Procesos solapados

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Aspectos del proceso de diseño de un circuito integrado

Circuitos electrónicos VLSI: Diseñados por humanos, construidos por máquinas.

!

! Herramientas CAD: Traducción H o m b r e --Máquina.



Generación de especificaciones precisas para la fabricación.

! Diseño!Jerárquico:!Divide!y!vencerás.! Estrategias de diseño rígidas ó ...

el caos. Comprobación de un circuitos integrado: ¿Test clásico? • Imposibilidad de realizar prototipos y de probar su funcionamiento mediante un test clásico. • Uso de programas de ordenador que simulan su funcionamiento. • Inclusión de una determinada circuitería con este objetivo. Diseño para test.

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Coste total de un producto VLSI= Costes fijos +Costes variables • Costes fijos, independientes de las unidades fabricadas: o o o o o o o

Herramientas CAD. Equipamiento Informático. Formación de los ingenieros de diseño. Horas de trabajo. Coste del diseño de las estrategias de test. Coste de las máscaras de fabricación. Otros aspectos:  La complejidad de los diseños.  Nivel de exigencia de las especificaciones.  Productividad de los diseñadores.

• Costes variables: o Coste de la oblea. o Tamaño de cada circuito. o Número de unidades defectuosas previstas.

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