DESAFIOS DA MICROELETRÔNICA NO BRASIL E NA UFPR PROF. OSCAR C. GOUVEIA FILHO

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

LEI DE MOORE

Evolução nos níveis de integração Ano Referência histórica Componentes por chip 1950 Componentes discretos 1– SSI– Small-scale integration < MSI– Medium-scale integration 10 2 – LSI– Large-scale integration 10 3 – VLSI– Very large-scale integration 10 4 – ULSI– Ultra large-scale integration > 10 9

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

MERCADO BRASILEIRO Déficit Comercial de Produtos Eletroeletrônicos  Jan-Dez US$ 4.04 bilhões  Jan-Dez US$ 5.80 bilhões  Variação – - 33% Fonte: ABINEE

Importações de Produtos do Setor (US$ milhões) % 2001 Automação Industrial * % Componentes Elétricos e Eletrônicos % Equipamentos Industriais % GTD % Informática % Material Elétrico de Instalação % Telecomunicações % Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas % Total % Principais produtos eletroeletrônicos importados

TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS Microeletrônica SilícioGaAs CMOSBipolarMESFETBipolar

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

Construção do transistor bipolar

IEEE Spectrum, Jan. 99 Transistor bipolar SiGe base emissor coletor

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

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

ESTRUTURA CMOS

Transistores SOI Porta Óxido isolante Camada fina de Si Substrato de Si Contatos de fonte e dreno Metal

CLASSIFICAÇÃO DOS CIRCUITOS INTEGRADOS

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

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)

Sistemas integrados baixo custo baixo consumo de potência baixas tensões de alimentação EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS PORTÁTEIS

Tecnologia CMOS Alta densidade de integração Baixo consumo de potência Escalamento Reutilização de projetos SISTEMAS INTEGRADOS EM UM CHIP PROPRIEDADE INTELECTUAL Componentes virtuais

SILÍCIO 20% PROP. INT. 80% CRESCIMENTO DO VALOR DA PROPRIEDADE INTELECTUAL RELATIVA AO SILÍCIO SILÍCIO 50% PROP. INT. 50%

Processo de Projeto de um Sistema Integrado em um Chip

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

FERRAMENTAS DE PROJETO (Electronic Design Automation - EDA)

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”

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.

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

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

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.

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.

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

FERRAMENTAS DE MIGRAÇÃO Reutilização de projetos Evolução dos processos de fabricação

PROJETO DE Cis NA UFPR

FERRAMENTAS MAGIC – Editor de layout – gratuito – LINUX L- EDIT - Editor de layout MENTOR GRAPHICS – Ferramenta Profissional SIMULADORES DE CIRCUITOS RECURSOS PARA INTEGRAÇÃO MOSIS

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

CI projetado pelo grupo de Microeletrônica do CIEL/UFPR usando a técnica de Sea-of- gates

Circuitos de RF