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
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)
Automação Industrial *
2000
2001
2002
2002%
2001
801
966
776
Componentes Elétricos e
Eletrônicos
6.610
6.116
5.090
Equipamentos Industriais
667
1.545
1.768
GTD
213
338
279
-
1.080
1.038
733
-29%
640
593
437
-26%
1.522
2.340
707
-70%
355
382
336
-
11.887
13.318
10.125
Informática
Material Elétrico de Instalação
Telecomunicações
Utilidades Domésticas
Eletroeletrônicas
Total
-20%
-
17%
14%
17%
12%
-24%
TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS
Microeletrônica
Silício
CMOS
GaAs
Bipolar
MESFET
Bipolar
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
emissor
coletor
base
Transistor bipolar SiGe
IEEE Spectrum, Jan. 99
VDD
MP
TECNOLOGIA CMOS
Vout
Vin
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
+
VSB
S
do MOSFET
G
+
VGB
+
canal N
W
B
VDB -
D
L
n+
n+
p+
p-
polissilício de porta
óxido SiO2
substrato
difusão de fonte ou dreno
canal de inversão
ESTRUTURA CMOS
Transistores SOI
Metal
Contatos de
fonte e dreno
Porta
Óxido isolante
Substrato de Si
Camada fina de Si
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)
EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS PORTÁTEIS
• baixo custo
• baixo consumo de
potência
• baixas tensões de
alimentação
Sistemas integrados
SISTEMAS INTEGRADOS EM UM CHIP
•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
SILÍCIO
50%
PROP. INT.
50%
1997
PROP. INT.
80%
SILÍCIO
20%
2000
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”
Planta do Chip
Geração de
Células
Verificação
Alocador e
Roteador
Geração de
Blocos
Migração
Planta dos Blocos
Montagem do
Chip
Formatação de
dados
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
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 ( 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