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

ALGUNS EVENTOS HISTÓRICOS ANO EVENTO 1895 Marconi faz a primeira transmissão de rádio 1904 Fleming inventa o diodo a vácuo – início da Era da Eletrônica 1925 Lilienfield apresenta o conceito do dispositivo de efeito de campo 1947 Bardeen, Brattain e Shockley inventam o transistor bipolar nos laboratórios Bell 1956 Bardeen, Brattain e Shockley recebem o premio Nobel pela invenção do transistor bipolar nos laboratórios Bell 1958 Desenvolvimento do circuito integrado por Kylby – Texas Instruments e Noyce e Moore – Fairchild Semiconductor 2000 Kilby recebe o premio Nobel pela invenção do CI

LEI DE MOORE

LEI DE MOORE

LEI DE MOORE

Evolução nos níveis de integração Ano Referência histórica Componentes por chip 1950 Componentes discretos 1 – 2 1960 SSI – Small-scale integration < 102 1966 MSI – Medium-scale integration 102 – 103 1969 LSI – Large-scale integration 103 – 104 1975 VLSI – Very large-scale integration 104 – 109 1990 ULSI – Ultra large-scale integration > 109

MERCADO MUNDIAL DA ELETRÔNICA 1992  US$ 1 Trilhão, aproximadamente 10% do PIB 2000  US$ 4 Trilhões Categoria Porção (%) Circuitos para processamento de dados 23 Programas e serviços para processamento de dados 18 Eletrônica profissional 10 Telecomunicações 9 Eletrônica de consumo 9 Componentes ativos 9 Componentes passivos 7 Eletrônica industrial 5 Instrumentação 5 Eletrônica de escritório 3 Aplicações médicas 2

Déficit Comercial de Produtos Eletroeletrônicos 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

Principais produtos eletroeletrônicos importados Importações de Produtos do Setor (US$ milhões) 2000 2001 2002  2002% 2001   Automação Industrial * 801 966 776 -20% Componentes Elétricos e Eletrônicos 6.610 6.116 5.090 -17% Equipamentos Industriais 667 1.545 1.768 14% GTD 213 338 279 Informática 1.080 1.038 733 -29% Material Elétrico de Instalação 640 593 437 -26% Telecomunicações 1.522 2.340 707 -70% Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas 355 382 336 -12% Total 11.887 13.318 10.125 -24%

TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS Microeletrônica Silício GaAs CMOS Bipolar MESFET

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, I2L

Construção do transistor bipolar

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

TECNOLOGIA CMOS Baixo consumo estático de potência VDD MP Vin Vout TECNOLOGIA CMOS MN 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

Estrutura do MOSFET canal N p+ n+ p- S G D B L W + VSB - + VGB - + VDB - S G D B L W polissilício de porta óxido SiO2 substrato difusão de fonte ou dreno canal de inversão

ESTRUTURA CMOS

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

CLASSIFICAÇÃO DOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Processadores digitais de sinais CIRCUITOS INTEGRADOS (CI´s) Microprocessadores Microcontroladores Processadores digitais dedicados Digitais Amplificadores Filtros Moduladores Conversores A/D e D/A Analógicos Baixa freqüência Rádio freqüência (RF) Analógicos Mistos Processadores digitais de sinais

Circuitos digitais Circuitos Analógicos 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)

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

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

CRESCIMENTO DO VALOR DA PROPRIEDADE INTELECTUAL RELATIVA AO SILÍCIO 50% PROP. INT. 80% PROP. INT. 50% SILÍCIO 20% 1997 2000

Processo de Projeto de um Sistema Integrado em um Chip

Derek K. Shaeffer et all, A 115-mW, 0 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” Geração de Células Planta do Chip Verificação Geração de Blocos Alocador e Roteador Migração Montagem do Chip Formatação de dados Planta dos Blocos PLANEJAMENTO GERAÇÃO SUPORTE

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 SUPORTE 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 MIGRAÇÃO Reutilização de projetos Evolução dos processos de fabricação

PROJETO DE Cis NA UFPR

RECURSOS PARA INTEGRAÇÃO 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 PÓS-GRADUAÇÃO Projeto de circuitos integrados digitais ( 7o período ) Projeto de circuitos integrados analógicos ( 8o 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