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EE141 1 CRONOGRAMA DA DISCIPLINA DE MICROELETRÔNICA EE (4458-G) www.ee.pucrs.br/~vargas/Disciplinas/Microeletronica-EE(4458G-04) Prof. Dr. Fabian Vargas.

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1 EE141 1 CRONOGRAMA DA DISCIPLINA DE MICROELETRÔNICA EE (4458-G) Prof. Dr. Fabian Vargas G1 = 0,16(P1 + P2 + P3 + P4 + P5) + 0,2(TrabFinal)

2 EE141 2 Bibliografia (Livros): Digital Integrated Circuits: a design perspective, Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic. 2 nd edition. Principles of CMOS VLSI Design: A Systems Perspective, Neil Weste, Kamran Eshraghian. Addison Wesley Publishing Company. Microeletrônica – Volume 2, Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith. Makron Books do Brasil Ltda (Ver Cap. 1.3: Circuitos Digitais MOS, ; Anexo A: Tecnologia de Fabricação de Circuitos Integrados, )

3 EE141 3 Bibliografia (Sites): (Microprocessors Through the Ages) (Chip Shots Gallery) (Chip Shots Gallery) (INTEL in your Community) (CMOS Fabrication Process & Design Rules) (CMOS Fabrication Process & Design Rules) (CMOS Inverter Fabrication Process)

4 EE141 4 The Transistor Revolution First transistor Bell Labs, 1948

5 EE141 5 The First Integrated Circuits Bipolar logic 1960s ECL 3-input Gate Motorola 1966

6 EE141 6 Intel 4004 Micro-Processor Intel 4004 Micro-Processor transistors 1 MHz operation

7 EE141 7 Intel Pentium (IV) microprocessor

8 EE141 8 Moores Law lIn 1965, Gordon Moore noted that the number transistors on a chip doubled every 18 to 24 months. lHe made a prediction that semiconductor technology will double its effectiveness every 18 months

9 EE141 9 Moores Law Electronics, April 19, 1965.

10 EE Evolution in Complexity

11 EE Transistor Counts 1,000, ,000 10,000 1, i386 i486 Pentium ® Pentium ® Pro K 1 Billion Transistors Source: Intel Projected Pentium ® II Pentium ® III Courtesy, Intel

12 EE Moores law in Microprocessors Pentium® proc P Year Transistors (MT) 2X growth in 1.96 years! Transistors on Lead Microprocessors double every 2 years Courtesy, Intel

13 EE Die Size Growth Pentium ® proc P Year Die size (mm) ~7% growth per year ~2X growth in 10 years Die size grows by 14% to satisfy Moores Law Courtesy, Intel

14 EE Frequency P6 Pentium ® proc Year Frequency (Mhz) Lead Microprocessors frequency doubles every 2 years Doubles every 2 years Courtesy, Intel

15 EE Power Dissipation P6 Pentium ® proc Year Power (Watts) Lead Microprocessors power continues to increase Courtesy, Intel

16 EE Power will be a major problem 5KW 18KW 1.5KW 500W Pentium® proc Year Power (Watts) Power delivery and dissipation will be prohibitive Courtesy, Intel

17 EE Power density Pentium® proc P Year Power Density (W/cm2) Hot Plate Nuclear Reactor Rocket Nozzle Power density too high to keep junctions at low temp Courtesy, Intel

18 EE Not Only Microprocessors Digital Cellular Market (Phones Shipped) Units 48M 86M 162M 260M 435M Analog Baseband Digital Baseband (DSP + MCU ) Power Management Small Signal RF Power RF (data from Texas Instruments) Cell Phone

19 EE Productivity Trends ,000 10, ,000 1,000,000 10,000, ,000 10, ,000 1,000,000 10,000, ,000,000 Logic Tr./Chip Tr./Staff Month. x x x x x x x 21%/Yr. compound Productivity growth rate x 58%/Yr. compounded Complexity growth rate 10,000 1, Logic Transistor per Chip (M) ,000 10, ,000 Productivity (K) Trans./Staff - Mo. Source: Sematech Complexity outpaces design productivity Complexity Courtesy, ITRS Roadmap

20 EE Why Scaling? Technology shrinks by 0.7/generation With scaling, 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

21 EE Design Abstraction Levels n+ S G D + DEVICE CIRCUIT GATE MODULE SYSTEM

22 EE Design Metrics How to evaluate performance of a digital circuit (gate, block, …)? Cost Reliability Scalability Speed (delay, operating frequency) Power dissipation Energy to perform a function

23 EE Cost of Integrated Circuits NRE (non-recurrent engineering) costs design time and effort, mask generation one-time cost factor Recurrent costs silicon processing, packaging, test proportional to volume proportional to chip area

24 EE NRE Cost is Increasing

25 EE Die Cost Single die Wafer From Going up to 12 (30cm)

26 EE Cost per Transistor cost: ¢-per-transistor Fabrication capital cost per transistor (Moores law)

27 EE Yield Simplified Form Complete Form

28 EE Defects is approximately 2

29 EE Some Examples (1994) ChipMetal layers Line width Wafer cost Def./ cm 2 Area mm 2 Dies/ wafer YieldDie cost 386DX 20.90$ %$4 486 DX $ %$12 Power PC $ %$53 HP PA $ %$73 DEC Alpha 30.70$ %$149 Super Sparc 30.70$ %$272 Pentium 30.80$ %$417

30 EE ) A cada nova geração, as pastilhas de circuitos de circuitos integrados DRAM têm significantemente aumentado. No entanto, o rendimento do processo destes circuitos tem permanecido aproximadamente o mesmo (43% a 48%). A tabela a seguir mostra alguns dados estatísticos referentes à produção de memórias DRAMs entre 1980 e Exercícios: a) Dado o aumento de área da pastilha de memórias DRAM, qual o parâmetro que deve ser melhorado para se manter o mesmo rendimento? b) Qual é o melhoramento calculado para aquele parâmetro entre 1980 e 1992? AnoCapacidade (KBytes) Área da Pastilha (cm 2 ) Diâmetro do Wafer (pol) Rendimento do Processo (%) , , , , ,97848

31 EE Respostas para a questão (b): 1980:5, :3, :2, :1, :0,91 2) Qual é o custo aproximado de uma pastilha de R4000 no wafer mostado à esquerda na Fig. 1? Assuma que o wafer de 6 polegadas custa US$750,00 e que a densidade de defeito é 2/cm 2. Use o número de pastilhas indicado nesta figura. Resp.: USD 47,64. 3) Mesmo exercício que o anterior, mas utilizando o wafer da direita (R3000). Resp.: USD 8,76.

32 EE Fig. 1. Fotografia de um wafer de 6 polegadas contendo microprocessadores MIPS R4000 (esquerda) e um wafer de 6 polegadas contendo microprocessadores MIPS R3000 (direita). O número de pastilhas do R3000 no wafer da direita, para um rendimento de 100%, é 210. Cada pastilha mede 0,8 x 0,9cm2 e contem cerca de transistores. O número de pastilhas do R4000 no wafer da esquerda, para um rendimento de 100%, é de 59. O tamanho da pastilha é 1,5 x 1,1cm2 e cada pastilha contem cerca de 1,3 milhão de transistores. Alguns dos chips do R3000 colocados nas bordas do wafer não serão utilizados; eles foram incluídos porque é mais fácil para se criar as máscaras para imprimir o circuito no silício. Os retângulos "vazios" em ambos wafers contém circuitos de teste usados para rapidamente se testar o wafer. O wafer do MIPS R4000 tem quatro circuitos de teste adicionais nas bordas.

33 EE ) Se se considerar as demais variáveis como constantes, qual é a relação approximada entre o custo e a área da pastilha? Resp.: 3

34 Transistor Concepção de Circuitos Integrados

35 Materiais Semicondutores Átomo de Silício Grande estabilidade física e química em temperatura ambiente 4 elétrons na órbita externa: valência 4 Permite uma obtenção natural do SiO 2 - óxido de silícioNeutronPróton NúcleoElétron

36 Cristal de Silício Si Si Si Si Materiais Semicondutores Si Si Si Si Monocristal: Silício Monocristalino - estrutura regular e homogênea - ligações covalentes - material quimicamente estável Em estado puro (intrínsico): - mal condutor a temperatura ambiente - isolante a baixas temperaturas Aumento da temperatura: - provoca quebra das ligações - um elétron livre provoca a formação de uma lacuna lacuna - ocorre a geração de pares elétrons-buracos

37 Materiais Semicondutores Mobilidade dos elétrons Mobilidade dos buracos µ n µ p OBS: Cerca de 3 vezes para o silício e 30 vezes para o AsGa Resistividade:capacidade de um material veicular corrente Resistividade: capacidade de um material veicular corrente depende: - concentração de portadores (que por sua vez, depende: temperatura, dopagem) - mobilidade dos portadores no material Dopantes:átomos com excesso de elétrons ou de lacunas Dopantes: átomos com excesso de elétrons ou de lacunas dopantes do tipo P boro (3A) dopantes do tipo P: falta de elétrons (receptor de é, pFET) ex.: boro (3A) dopantes do tipo N fósforo (5A) dopantes do tipo N: excesso de elétrons (doador de é, nFET) ex.: fósforo (5A)

38 Materiais Semicondutores Ver Tabelas Periódicas em:

39 Transistor MOS Silício Policristalino -> CONDUTOR Ó xido de Silício SiO 2 S emicondutor -> (Germânio ou Silício Monocristalino) Estruturas MOS Óxido de Silício SiO 2 -> ISOLANTE Silício Monocristalino -> SEMICONDUTOR M etal

40 N N N P Poli Silício Policristalino Óxido de Silício SiO 2 Silício Monocristalino Difusão N Substrato P Corte transversal Vista de topo Transistor MOS

41 N N N P Difusão N Substrato P planta baixa Contato Fonte Dreno Grade corte canal Transistor MOS Transistor MOS (nFET) nFET

42 Transistor MOS Transistor MOS (nFET) NN P Difusão N Gate = 0 V canal aberto (OFF)Fonte Dreno NN P Gate = V CC canal fechado (ON) nFET Fonte Dreno

43 Transistor MOS Transistor MOS (pFET) PP Difusão P Fonte Dreno Gate = V CC canal aberto (OFF)P N Well PP P Fonte Dreno Gate = 0 V canal fechado (ON) pFET N Well


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