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Introducción al diseño digital VLSI INTRODUCCIÓN A VLSI ¿Qué es Microelectrónica? Ciencias y técnicas con las que se realizan y fabrican circuitos/sistemas electrónicos, sobre una pastilla de un semiconductor, lo que formará un circuito integrado Algunos términos - Chip: Es la parte activa del circuito integrado (CI) Chip - Encapsulado en plástico, cerámica, ... - Conectado al exterior por conductores metálicos (pines) - Un chip se toma como sinónimo de circuito integrado. No hay que confundir con circuito impreso, que es donde se colocan los circuitos integrados para formar las placas o tarjetas INTRODUCCIÓN A VLSI Pines cable pad core 6bits Flash A/D Converter [Weste] INTRODUCCIÓN A VLSI Sectores implicados Industrias: Fabricación de circuitos integrados Microelectrónicas: fábricas (foundries), realización de CI’s, etc. Electrónicas: computadores, audio y vídeo, etc. Otras: automóvil, lavadoras, etc. Investigación (I+D): Búsqueda de nuevos CI’s y técnicas de realización Privados: departamentos de I+D de empresas del sector Públicos: universidades y centros públicos de I+D Enseñanza: Preparación de personal preparado Privados y públicos Sociedad: Consumo de aplicaciones y productos Acciones políticas nacionales (p.ej., CNM) y europeas (p.ej., Europractice) INTRODUCCIÓN A VLSI Laboratorios Bell: 16 de diciembre de 1947 William Shockley (sentado), John Bardeen (izquierda) y Walter Brattain (derecha) http://www.cedmagic.com/history/transistor-1947.html INTRODUCCIÓN A VLSI El transistor Shockley (1947) Bloque triangular de poliestireno con 2 contactos presionados por un resorte contra un cristal de Ge. Aplicando corriente&tensión a Ge da lugar a una amplificación INTRODUCCIÓN A VLSI Ley de Moore (1965) El número de transistores por mm2 en un circuito integrado se duplica cada 1,5 años Video en http://www.youtube.com/watch?v=3z8I-KmaFUI INTRODUCCIÓN A VLSI Ejemplos de procesadores de Intel Año 4004 8008 8080 8086 286 Intel386™ processor Intel486™ processor Intel® Pentium® processor Intel® Pentium® II processor Intel® Pentium® III processor Intel® Pentium® 4 processor Intel® Itanium® processor Intel® Itanium® 2 processor 1971 1972 1974 1978 1982 1985 1989 1993 1997 1999 2000 2002 2003 INTRODUCCIÓN A VLSI Transistores 2,250 2,500 5,000 29,000 120,000 275,000 1,180,000 3,100,000 7,500,000 24,000,000 42,000,000 220,000,000 410,000,000 El mercado del diseño de circuitos integrados Reto de diseño ¾ Aprovechar el crecimiento exponencial en funcionalidad con un incremento similar en productividad Condicionantes de mercado ¾ 1er fabricante: 70% ¾ 2o fabricante: 15% ¾ Resto: 15 % Fuente: FPGA Reuse Field Guide, Qualis Design Corporation, 2002. INTRODUCCIÓN A VLSI Evolución de los C.I. Tamaños relativos INTRODUCCIÓN A VLSI Evolución de los C.I. Incremento de funcionalidad INTRODUCCIÓN A VLSI Evolución de los C.I. Incremento de funcionalidad INTRODUCCIÓN A VLSI producto microelectrónico proceso de fabricación proceso de diseño INTRODUCCIÓN A VLSI Proceso de fabricación Datos del diseño Materias primas (LAYOUT) PROCESO DE FABRICACIÓN Proceso tecnológico: conjunto de procesos físico-químicos Capas del proceso y reglas de diseño: especifican cómo hacer las máscaras para obtener layout INTRODUCCIÓN A VLSI Datos del diseño (LAYOUT) Layout: Mapa del circuito descrito por los patrones geométricos del conjunto de capas que caracterizan a un determinado proceso tecnológico INTRODUCCIÓN A VLSI Proceso de fabricación Obtención de las obleas Obleas Si Sílice Máscara Obtención de máscaras y actuaciones sobre las obleas Fuente Lente Yield: Nº de circ. buenos Nº total de circ. INTRODUCCIÓN A VLSI Oblea Testado del proceso obtención de chips (en su caso, encapsulado y test del CI) Proceso de fabricación Obleas de 6 pulgadas [Hennessy & Patterson] 80 dados de 1.6 x 1.0 cm2 Intel 80486 246 dados de 0.86 x 0.6 cm2 Cypress CI7C601 INTRODUCCIÓN A VLSI Pasos del proceso de fabricación INTRODUCCIÓN A VLSI Pasos del proceso de fabricación http://jas.eng.buffalo.edu/ INTRODUCCIÓN A VLSI producto microelectrónico proceso de fabricación proceso de diseño INTRODUCCIÓN A VLSI Proceso de diseño APROXIMACIONES A LA IMPLEMENTACION DE CIRCUITOS Custom Semicustom Automatización Basados en celdas Basados en arrays Prestaciones Celdas estándar Celdas compiladas Macroceldas Predifundidos MPGAs INTRODUCCIÓN A VLSI Precableados FPDs Metodologías de diseño full custom matriz de puertas celdas estándar FPGA INTRODUCCIÓN A VLSI Proceso de diseño CONCEPCIÓN Y ESPECIFICACIONES FABRICACIÓN ¿OK? DISEÑO FINAL VERIFICADO DISEÑO Y SIMULACIÓN NO SI VECTORES DE TEST PRODUCTO FINAL INTRODUCCIÓN A VLSI Diseño Full-Custom Ventajas • prestaciones • densidad de diseño Diseño manual • alto coste • mucho tiempo para su presencia en el mercado INTRODUCCIÓN A VLSI Diseño Full-Custom Justificable si • coste amortizable por gran volumen de producción • el bloque es reutilizable • el coste no es un criterio primario Minima automatización pero indispensables: • editor de layout • chequeador de reglas de diseño • extractor de circuitos • simuladores INTRODUCCIÓN A VLSI Diseño con Celdas Estándar Diseño automático • bajo coste • poco tiempo para su presencia en el mercado Se dispone de: • librería de componentes • generadores de módulos • bloques de circuito IP INTRODUCCIÓN A VLSI Circuitos predifundidos Matriz de puertas NAND3 a b c Biestable D z El diseñador sólo personaliza el conexionado a Clk D Q INTRODUCCIÓN A VLSI b c Diseño con Dispositivos Precableados Arquitecturas basadas en planos AND-OR • PLA • PAL • PROM PLA INTRODUCCIÓN A VLSI Diseño con Dispositivos Precableados FPGA FPGA (Field Programmable Gate Arrays) Estructura de alta densidad, constituidos por matrices de estructuras lógicas de granularidad variable, y de elementos programables para interconectarlas en una variedad de maneras. INTRODUCCIÓN A VLSI FPGA Un FPGA está constituido por los elementos programables: INTRODUCCIÓN A VLSI FPGA Un FPGA está constituido por los elementos programables: recursos de procesado INTRODUCCIÓN A VLSI FPGA Un FPGA está constituido por los elementos programables: recursos de procesado puertos de entrada/salida INTRODUCCIÓN A VLSI FPGA Un FPGA está constituido por los elementos programables: recursos de procesado puertos de entrada/salida red de interconexión INTRODUCCIÓN A VLSI Ejemplo de FPGA Xilinx Spartan 3 INTRODUCCIÓN A VLSI Ejemplo de Familias de FPGA INTRODUCCIÓN A VLSI Placas de evaluación INTRODUCCIÓN A VLSI Flujo de diseño con FPGA INTRODUCCIÓN A VLSI FPGA Ampliar información en Canals_FPGAs_solo.pdf INTRODUCCIÓN A VLSI Metodologías de diseño: CAD INTRODUCCIÓN A VLSI Metodologías de diseño: Coste INTRODUCCIÓN A VLSI El Futuro INTRODUCCIÓN A VLSI Evolución de la microelectrónica Longitud mínima de puerta μm 100 En los 40 años transcurridos se ha reducido 100 veces decenas de micras 10 1 Tecnologías submicrónicas 0.1 decenas de nm 0.01 1960 1970 1980 1990 INTRODUCCIÓN A VLSI 2000 2010 Año Evolución de la microelectrónica Retraso ns 100 decenas de nanosegundos 10 1 0.1 decenas de picosegundos 0.01 1960 1970 1980 1990 INTRODUCCIÓN A VLSI 2000 2010 Año De la microelectrónica a la nanoelectrónica 10 10000 1 1000 Nanometer Micron 0.1 100 0.01 1970 10 1980 1990 2000 INTRODUCCIÓN A VLSI 2010 2020 Nanotecnología La Nanotecnología es la creación de Materiales Funcionales, Dispositivos y Sistemas a través del control de la materia a escalas de longitud de los nanómetros y la explicación de nuevos fenómenos y propiedades de los materiales (Físicas, Químicas y Biológicas) a estas escalas de longitud. INTRODUCCIÓN A VLSI Semiconductor Industry Association (SIA) 2004 Annual Report INTRODUCCIÓN A VLSI Semiconductor Industry Association (SIA) 2004 Annual Report INTRODUCCIÓN A VLSI Nanotubos FET nanotubo de IBM INTRODUCCIÓN A VLSI Aplicación de los nanotubos Pantallas flexibles con nanotubos ¾ Los nanotubos abren las puertas hacia un nuevo tipo de pantalla de televisión y monitores totalmente planos. ¾ Las pantallas serán extraorninariamente delgadas y planas, además de flexibles. INTRODUCCIÓN A VLSI Nanoparticulas Sistemas autoensamblados Las nanoparticulas son bloques básicos que permiten construir nanoestructuras complejas. La nanotecnología molecular requiere el desarrollo de la autoreproducción y el autoensamblaje para la construcción de los sistemas. INTRODUCCIÓN A VLSI Almacenamiento ultramasivo Proyecto Millipede (Milpies) de IBM 9 Permite almacenar un trillón de bits (el equivalente a 25 DVDs). 9 El medio de almacenamiento es una película delgada de material orgánico depositado sobre una superficie de silicio. 9 Se realiza el contacto con la serie de puntas de silicio movidas en x-y. INTRODUCCIÓN A VLSI Almacenamiento ultramasivo Proyecto Millipede (Milpies) de IBM INTRODUCCIÓN A VLSI Inversión en nanotecnología Fuente: Intel INTRODUCCIÓN A VLSI ¿Y qué más...? INTRODUCCIÓN A VLSI
