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Universidad Antonio de Nebrija
Tecnología electrónica I. Tema I
1. Introducción a la tecnología electrónica
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Introducción a las tecnologías integradas
Evolución histórica y previsión
Escala de integración
Fabricación de circuitos integrados
Costes de desarrollo
Visión de la industria electrónica
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Tecnología electrónica I. Tema I
1. Introducción a la tecnología electrónica
1.1. Introducción a las tecnologías integradas
1.2. Evolución histórica y previsión
1.3. Escala de integración
1.4. Fabricación de circuitos integrados
1.5. Costes de desarrollo
1.6. Visión de la industria electrónica
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Introducción
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Tecnología electrónica I. Tema I
Objetivo de la industria electrónica:
Fabricación de dispositivos más pequeños, más rápidos y con
menor consumo
Tipos de circuitos integrados:
a) Componentes discretos:
- Funcionalidad simple (AND, OR, NOT...)
- Utilización de varios en una placa para poder obtener una
función útil.
b) Componentes integrados:
- Funcionalidad compleja, útil por si misma.
- El circuito entero se fabrica sobre la misma oblea de
silicio.
Nos dedicaremos a la tecnología MOS (Metal Oxide Silicon) y CMOS
(Complementary MOS).
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Tecnología electrónica I. Tema I
1. Introducción a la tecnología electrónica
1.1. Introducción a las tecnologías integradas
1.2. Evolución histórica y previsión
1.3. Escala de integración
1.4. Fabricación de circuitos integrados
1.5. Costes de desarrollo
1.6. Visión de la industria electrónica
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Evolución histórica CMOS
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1947. Invención del transistor en los laboratorios Bell.
1958. Invención del circuito integrado
1965. Primera calculadora MOS.
1971. Hoff inventa el microprocesador: 2.300 transistores.
1985-90. Aparecen los lenguajes de descripción de hardware
1988. Primer circuito creado con litografía de UV.
1989. Invención de la litografía por haz de electrones (e-beam)
1992. Primer MOSFET operando a más de 100 GHz.
1997. Intel Pentium con 7,5 millones de transistores
Ley de Moore
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Gordon Moore (1965). El número de transistores que se integran en un
circuito sigue una ley exponencial:
Esta ley experimental no demostrada sigue cumpliéndose.
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Ley de Moore
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El límite teórico de la ley de Moore es un transistor cuyo
comportamiento venga definido por un único electrón. (SET: single
electron transistor)
Siempre se han podido sobrepasar barreras que parecían
infranqueables, y se ha seguido cumpliendo la ley de Moore.
Nanotubos
- Es la tecnología candidata a sustituir a la actual de silicio
- Se basa en tubos formados por átomos de carbono unidos por
enlaces covalentes con estructura parecida a la del grafito.
- Se consiguen transistores mucho más pequeños y con menor
consumo.
- Al menos hasta dentro de 10 años no será una realidad.
Evolución de la tecnología
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Cada nueva tecnología:
- x0.7 el tamaño de los transistores
- x2.0 aumento de la densidad de transistores
- x1.5 aumento de la velocidad de conmutación
- Se reduce la potencia de cada chip
- Se reduce el coste de cada chip
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El nuevo gran problema: el consumo
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Silicon on insulator
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Antes de hacerse realidad la tecnología de los nanotubos, se ha
desarrollado una tecnología basada en el silicio que mejora las
prestaciones de la tecnología CMOS.
La tecnología SOI, se empieza a investigar en 1970 pero hasta la
actualidad no es viable comercialmente.
Se consigue un menor consumo y una mayor velocidad que con la
tecnología CMOS clásica.
IBM instaló una fábrica de tecnología SOI CMOS con diámetros de
obleas de 300 mm y 90 nm de característica, la inversión fue de 2500
millones de dólares.
Con esta nueva tecnología se sigue la Ley de Moore.
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Silicon on Insulator
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SOI. ¿Quién es quién?
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Copper interconnect
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Según se reduce el tamaño de los transistores, se hacen más rápidos y
están más cercanos, es necesario hacer más interconexiones.
El aluminio ha sido la solución durante años, pero nos acercamos a sus
límites.
SMALLER, FASTER AND CHEAPER.
Desde hace mucho se está intentando sustituir por Au, Ag o Cu, aunque
por diversos problemas no se ha conseguido hasta el año 1997.
Hoy en día las conexiones de Cobre son una realidad y están
sustituyendo a las de aluminio.
Evolución de la tecnología
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Low K dielectric
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Al aumentar el número de capas de interconexión y disminuir las
distancias entre ellas, una pequeña cantidad de carga se acumula entre
las líneas que se cruzan provocando diafonía (crosstalk).
La solución es emplear otro dieléctrico entre las pistas con una baja K,
de forma que se consigue mejorar la velocidad del chip hasta un 30%,
al igual que su rendimiento.
Evolución de la tecnología
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Nombre del
proceso (INTEL) P856
P858
Px60
P1262
P1264
P1266
Año de entrada
1999
2001
2003
2005
2007
90 nm
65 nm
45 nm
1997
Litografía
0.25 µm 0.18 µm 0.13 µm
Longitud de
puerta
(Feature size)
0.20 µm 0.13 µm <70 nm <50 nm <35 nm <25 nm
Diámetro de
oblea (mm)
200
200
200/300
300
300
300
La ley de Moore continúa
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Evolución de la tecnología
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“Feature size”. Longitud de los transistores
Evolución de la tecnología
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THz transistor
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Evolución de la tecnología
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Nuevas tecnologías
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Nanotubos
- Resistividad comparable a los
mejores metales
- Altísimas densidades de corriente
- Altas movilidades
Material más duro conocido
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1. Introducción a la tecnología electrónica
1.1. Introducción a las tecnologías integradas
1.2. Evolución histórica y previsión
1.3. Escala de integración
1.4. Fabricación de circuitos integrados
1.5. Costes de desarrollo
1.6. Visión de la industria electrónica
Escala de integración
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Se mide en relación al número de puertas equivalentes NAND que
contiene:
-
SSI. Short Scale of integration. 1-10 puertas
MSI. Medium Scale of Integration. 10 -100.
LSI. Large Scale of Integration. 100 - 1,000.
VLSI. Very Large Scale of Integration. 1,000 - 10,000
ULSI. Ultra Large Scale of Integration. > 10,000
El hecho de que la tecnología nos permita tener circuitos integrados con
billones de transistores y con velocidades del orden de GHz, no significa
que no convivan tecnologías más baratas con menor escala de integración
y/o más lentas.
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Fabricación de circuitos integrados
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Tecnología electrónica I. Tema I
1. Introducción a la tecnología electrónica
1.1. Introducción a las tecnologías integradas
1.2. Evolución histórica y previsión
1.3. Escala de integración
1.4. Fabricación de circuitos integrados
1.5. Costes de desarrollo
1.6. Visión de la industria electrónica
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Inversión en I+D
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Costes de desarrollo
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Se reducen los costes por unidad funcional
Pequeños incrementos en la funcionalidad,
suponen incrementos de precio muy altos
Precio máximo que está dispuesto a pagar el
mercado
Grandes incrementos en la funcionalidad,
suponen pequeños incrementos de precio
Un cambio en la tecnología permite dar un
mejor producto al mismo precio
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Costes de desarrollo
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Incremento de costes:
- Aumento de la superficie del chip: aumento del número de
transistores por chip (escala de integración)
- Aumento del coste del equipo
Disminución de costes:
- Aumento del diámetro de la oblea de silicio
- Aumento de la automatización de las fábricas
- Aumento de la eficiencia de las fábricas
- Disminución de los defectos por chip
Chip complexity (index to 1)
Feature size, µm
Chip size increase, mm2
Wafer diameter, mm
Facility automation, %
Operational efficiency
Equipment cost
Defect levels, DPM
1975
1
2
30
50
5
1
1
2%
1997
10
0,25
150
200
60
10
10
500
2003
100
0,08
600
300
80
100
50
50
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