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PublicouFabio Pinto Alterado mais de 7 anos atrás
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DESAFIOS DA MICROELETRÔNICA NO BRASIL E NA UFPR PROF. OSCAR C. GOUVEIA FILHO
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ALGUNS EVENTOS HISTÓRICOS ANOEVENTO 1895Marconi faz a primeira transmissão de rádio 1904Fleming inventa o diodo a vácuo – início da Era da Eletrônica 1925Lilienfield apresenta o conceito do dispositivo de efeito de campo 1947Bardeen, Brattain e Shockley inventam o transistor bipolar nos laboratórios Bell 1956Bardeen, Brattain e Shockley recebem o premio Nobel pela invenção do transistor bipolar nos laboratórios Bell 1958Desenvolvimento do circuito integrado por Kylby – Texas Instruments e Noyce e Moore – Fairchild Semiconductor 2000Kilby recebe o premio Nobel pela invenção do CI
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LEI DE MOORE
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Evolução nos níveis de integração Ano Referência histórica Componentes por chip 1950 Componentes discretos 1– 2 1960 SSI– Small-scale integration < 10 2 1966 MSI– Medium-scale integration 10 2 – 10 3 1969 LSI– Large-scale integration 10 3 – 10 4 1975 VLSI– Very large-scale integration 10 4 – 10 9 1990 ULSI– Ultra large-scale integration > 10 9
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MERCADO MUNDIAL DA ELETRÔNICA 1992 US$ 1 Trilhão, aproximadamente 10% do PIB 2000 US$ 4 Trilhões CategoriaPorção (%) Circuitos para processamento de dados23 Programas e serviços para processamento de dados18 Eletrônica profissional10 Telecomunicações9 Eletrônica de consumo9 Componentes ativos9 Componentes passivos7 Eletrônica industrial5 Instrumentação5 Eletrônica de escritório3 Aplicações médicas2
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MERCADO BRASILEIRO Déficit Comercial de Produtos Eletroeletrônicos Jan-Dez 2001 - US$ 4.04 bilhões Jan-Dez 2002 - US$ 5.80 bilhões Variação – - 33% Fonte: ABINEE
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Importações de Produtos do Setor (US$ milhões) 200020012002 2002% 2001 Automação Industrial *801966776-20% Componentes Elétricos e Eletrônicos 6.6106.1165.090 - 17% Equipamentos Industriais6671.5451.76814% GTD213338279 - 17% Informática1.0801.038733-29% Material Elétrico de Instalação640593437-26% Telecomunicações1.5222.340707-70% Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas 355382336 - 12% Total11.88713.31810.125-24% Principais produtos eletroeletrônicos importados
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TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS Microeletrônica SilícioGaAs CMOSBipolarMESFETBipolar
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TECNOLOGIA BIPOLAR Tecnologia mais antiga - mais popular nas décadas de 60 e 70 Operação em freqüências altas Alta transcondutância - aplicações lineares Menor densidade de integração relativa aos processos MOS Maior consumo de potência relativo aos processos MOS TTL, ECL, I 2 L
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Construção do transistor bipolar
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IEEE Spectrum, Jan. 99 Transistor bipolar SiGe base emissor coletor
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TECNOLOGIA CMOS Baixo consumo estático de potência Alta densidade de integração Atualmente é a tecnologia mais utilizada Circuitos mistos analógicos e digitais no mesmo chip Tecnologia otimizada para circuitos digitais V DD V out V in MPMP MNMN
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polissilício de portaóxido SiO 2 difusão de fonte ou dreno substrato canal de inversão Estrutura do MOSFET canal N p+n+ p- + V SB - + V GB - + V DB - S G D B L W
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ESTRUTURA CMOS
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Transistores SOI Porta Óxido isolante Camada fina de Si Substrato de Si Contatos de fonte e dreno Metal
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CLASSIFICAÇÃO DOS CIRCUITOS INTEGRADOS
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CIRCUITOS INTEGRADOS (CI´s) Digitais Microprocessadores Microcontroladores Processadores digitais dedicados Analógicos Amplificadores Filtros Moduladores Conversores A/D e D/A Analógicos Baixa freqüência Rádio freqüência (RF) Mistos Processadores digitais de sinais
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Circuitos digitais Alta densidade de integração Ferramentas de projeto bastante desenvolvidas Projetista praticamente não trabalha a nível de transistor Utilização de linguagens de descrição de alto nível (HDL) Circuitos Analógicos Menor densidade de integração Projeto manual Projetista trabalha a nível de transistor Conhecimento do comportamento físico do dispositivo Ferramenta básica : simulador de circuitos (elétrico)
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Sistemas integrados baixo custo baixo consumo de potência baixas tensões de alimentação EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS PORTÁTEIS
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Tecnologia CMOS Alta densidade de integração Baixo consumo de potência Escalamento Reutilização de projetos SISTEMAS INTEGRADOS EM UM CHIP PROPRIEDADE INTELECTUAL Componentes virtuais
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SILÍCIO 20% PROP. INT. 80% 19972000 CRESCIMENTO DO VALOR DA PROPRIEDADE INTELECTUAL RELATIVA AO SILÍCIO SILÍCIO 50% PROP. INT. 50%
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Processo de Projeto de um Sistema Integrado em um Chip
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Derek K. Shaeffer et all, A 115-mW, 0.5 CMOS GPS Receiver with Wide Dynamic-Range Active Filters, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 33, NO. 12, DECEMBER 1998
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FERRAMENTAS DE PROJETO (Electronic Design Automation - EDA)
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FERRAMENTAS DE PROJETO EDA (Electronic Design Automation) Programas de computador que realizam diversas tarefas no processo de projeto de um circuito integrado TIPOS DE FERRAMENTAS Ferramentas de validação do projeto - SIMULADORES Ferramentas para “layout”
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SIMULADORES Simuladores lógicos: Simulam o circuito a nível comportamental. – Servem para verificar se o circuito realiza corretamente a função para a qual foi projetado. – A descrição do circuito é feita no nível de funções lógicas. –Os sinais de entrada e saída são estados lógicos (0, 1, X, Z). –Aplicação: circuitos digitais. Simuladores de atraso (timing) –Determinação do atraso na propagação de sinal em circuitos digitais –Usam modelos simplificados para os dispositivos.
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SIMULADORES Simuladores Elétricos –Fazem a análise do comportamento elétrico do circuito –Utilizam modelos mais complexos para os componentes –Circuitos analógicos e digitais pequenos Simuladores Mistos –Circuitos mistos analógicos - digitais –Simulação elétrica e lógica –Incluem modelos para a interface analógica/digitall
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FERRAMENTAS PARA “LAYOUT” PLANEJAMENTO GERAÇÃO SUPORTE Planta do Chip Alocador e Roteador Planta dos Blocos Geração de Células Geração de Blocos Montagem do Chip Verificação Migração Formatação de dados
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FERRAMENTAS PARA GERAÇÃO DE LAYOUT Editores gráficos –O desenho das máscaras é feito manualmente na tela do computador. –O layout é convertido em uma linguagem de especificação geométrica padronizada (CIF) que é usada na fábrica para gerar as máscaras. Geradores de dispositivos –Geram automaticamente o layout a nível de transistor ou de células. Nova geração do editores de layout. São caros para a pequena empresa. Roteadores : Programas específicos para fazer interconexões.
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Alocadores: Otimizar a alocação de células e blocos. Roteadores : Programas específicos para fazer interconexões. Compactadores: Usados para ajustar o layout às regras de projeto Compiladores de Silício: Geração automática de layout. Engloba as ferramentas anteriores. Perda de flexibilidade, porém aumento na velocidade de projeto. Muito caros para a pequena empresa.
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FERRAMENTAS DE VERIFICAÇÃO Checadores de regras de projeto (DRC): Programas que verificam erros de violação de regras de projeto no layout. Layout versus esquemático (LVS): Fazem uma verificação cruzada entre layout e esquemático. Extrator de circuito: Programa que extrai o esquema do circuito a partir do layout. Usado para verificar se o layout corresponde ao circuito projetado e para determinar elementos parasitas. Asaída pode ser um “netlist” na linguagem utilizada pelos simuladores de circuitos. FERRAMENTAS DE SUPORTE
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FERRAMENTAS DE MIGRAÇÃO Reutilização de projetos Evolução dos processos de fabricação
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PROJETO DE Cis NA UFPR
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FERRAMENTAS MAGIC – Editor de layout – gratuito – LINUX L- EDIT - Editor de layout MENTOR GRAPHICS – Ferramenta Profissional SIMULADORES DE CIRCUITOS RECURSOS PARA INTEGRAÇÃO MOSIS
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O QUE FAZEMOS GRADUAÇÃO : 2 DISCIPLINAS OPTATIVAS Projeto de circuitos integrados digitais ( 7 o período ) Projeto de circuitos integrados analógicos ( 8 o período ) PÓS-GRADUAÇÃO Modelagem do transistor MOS Modelagem de elementos passsivos (indutores) Projeto de circuitos integrados de RF Projeto de circuitos integrados digitais
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CI projetado pelo grupo de Microeletrônica do CIEL/UFPR usando a técnica de Sea-of- gates
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Circuitos de RF
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