Čím se budeme zabývat? Struktury integrovaných systémů A2M34SIS Přednášející: Cvičící: Jiří Jakovenko Vladimír Janíček Jan Novák Historický přehled vývoje integrovaných obvodů, Moorovy zákony, metody návrhu, současné trendy Technologický proces výroby integrovaných obvodů Základní CMOS proces, technologický postup výroby Moderní technologie IO, submikronové technologie, SOI technologie, technologie "Strained silicon", RF IO Specifika analogového návrhu Specifika a postup návrhu digitálního návrhu IO Návrh a technologie mikro-elektro-mechanických integrovaných systémů MEMS Základní rozdělení optoelektronických a optických integrovaných obvodů Čím se budeme zabývat - cvičení? Úvod do Unixu a návrhového systému CADENCE Knihovny technologií CMOS, Simulace analogových IO, Simulátor Spectre Vlastnosti logických hradel a přenosového hradla CMOS Ukázka analogového návrhu, tvorba testů Vliv technologického rozptylu, Simulace v rozích Layout - Kontrola návrhových pravidel, extrakce parazitních kapacit Ukázka Digitálního návrhu, simulace - Syntéza a verifikace digitálního návrhu Návrh struktur optických součástek a optické senzory. Struktury integrovaných systémů A2M34SIS Studijní materiály: MOODLE http://moodle.kme.fel.cvut.cz A2M34SIS - Struktury integrovaných systémů Aplikace elektroniky Aplikace elektroniky 2011 1990 Dnešní Škoda auta 120 Kolik elektroniky je v tomto autě? Kde nalezneme elektroniku? Téměř všude Jen pár příkladů
Aplikace elektroniky Aplikace elektroniky a Nejsme trochu závislí??? A kdo za to může? Integrovaný obvod. Co je tedy integrovaný obvod? Moderní elektronická součástka Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří elektronický obvod vykonávající nějakou složitější funkci Integrované obvody dělíme na monolitické a hybridní Proč se to mám učit? Protože lepší zábava na světě neexistuje Hlavní přínosy integrace Naprosto unikátní technologie + Vyšší rychlost a výkon + Stále vyšší hustota integrace (tranzistorů) + Menší ztrátový výkon na funkční blok (úspora energie) ovšem dramaticky roste ztrátový výkon na jeden čip + Menší náklady na funkční blok + Nižší hmotnost Negativa???
50 let integrovaných obvodů Integrované obvody mají relativně velmi krátkou historii. Od svého vzniku až do dnešní doby však zaznamenaly nebývale dynamický vývoj. "Kdyby výroba automobilu postupovala stejně rychle jako polovodičový průmysl, ujel by Rolls-Royce na jeden litr paliva deset miliónů kilometrů a bylo by levnější ho vyhodit než zaparkovat. G.E. Moore, spoluzakladatel firmy Intel). Historie polovodičové mikroelektroniky 1906 Polovodiče používány k detekci radio signálů (Pickard, ATT) 1912 Objev usměrňovacích vlastností polovodičů (Pickard, ATT) 1925 FET - J. Lilienfeld patentoval princip (technologicky nerealizován) (US#1,745,175, #1,900,018, #1,877,140), 1935 O. Heil (British #439,457 ) 1943 Germaniové krystaly k demodulaci radarů. 1947 Tranzistor Objev Bardeen, Brattain a Schockley, ATT, Nobelova Cena, 1956 1952 Realizace prvního FET (Field Effect Transistor) Lilienfeld FET Tranzistor (1930) První počítač Babbage Difference Engine (1832) Realizace nebyla možná díky přítomnosti velikého náboje na rozhraní polovodiče a hradlového izolantu. V padesátých letech byl tento problém vyřešen 25 000 mechanických částí Cena: 17 470 liber ENIAC První elektronický počítač (1946) Sestrojen pány: John W. Mauchly (architektura počítače) a J. Presper Eckert (elektronické obvody), Pennsylvánská uvniverzita 1947 Doba moderní elektroniky Bellovy Laboratoře Vynález hrotového tranzistoru zesílení 18 William Shockley, Walter Brittain a John Bardeen Nobelova cena za fyziku 1956 1951: Shockley tranzistor vhodný pro sériovou výrobu. 1954: První tranzistorové rádio, první křemíkový tranzistor (TI - cena $2.50)
1958 Revoluční objev vynález integrovaného obvodu První integrovaný obvod Jack Kilby, Texas Instruments 1 Tranzistor a 4 Odpory na 1 čipu V roce 2000 udělena Nobelova cena Mnohem výhodnější pro výrobu integrovaných tranzistorů Fairchild Electronics - Robert Noyce První planární technologie - 1959 Prakticky ve stejnou dobu vynalezl IO i Robert Noyce Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL První komerční planární IO První ECL hradlo Fairchild -- One Binary Digital (Bit) Memory Device on a Chip 4 Tranzistory a 5 Rezistorů ZAČÁTEK TECHNOLOGIE SSI (SMALL SCALE INTEGRATION) Motorola 1966 ECL 3-input Gate/SRAM 1961: duální flip-flop cena ~ $50 1963: Vyšší hustota a výtěžnost 4 x flip flop. Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Integrace MOS Tranzistorů - 1962 Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Radio Corporation of America (RCA) Sarnoff Laboratories První analogový IO - 1964 Operační zesilovač MA 702 Fairchild
První IO Navržený pomocí CAD Computer- Aided Design - 1967 mmosaic Fairchild První 1,024 Bitový paměťový čip - 1970 Intel Corporation DRAM 1968: Noyce a Moore odcházejí z Fairchild a zakládají Intel. Nejdříve se specializují na paměťové čipy. Po dvou letech se Intel přesunuje do Santa Clary. V roce 1971 má Intel 500 zaměstnanců; V roce 1983 již 21,500 a $1100M obrat. První 256-Bitová Statická RAM - 1970 Fairchild 4100 První EPROM - 1971 INTEL 1702 První Microprocesor - 1971 Intel 4004 2,300 Tranzistorů, 108 khz První počítač na jednom čipu sestrojen (Ted Hoff) pro kalkulátory První komerční Mikroprocesor - 1974 8-Bit Intel 8080, Intel Corporation 6,500 Tranzistorů, 2MHz
První 64 kb Dynamická paměť - 1977 16-Bitový Mikroprocesor 1979 IBM Corporation Motorola 68000 ETAPA LSI (LARGE SCALE INTEGRATION) První 256 kb Bitová Dynamická RAM 1981 První 32-Bitový Mikroprocesor 1981 IBM Corporation Hewlett-Packard Co. 450,000 Tranzistorů POČÁTEK ETAPY VLSI (VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUIT ) A jak je to dnes? 2005 - Intel Pentium 4 a jádro Prescott vyrobené pomocí 90nm výrobní technologie, 125 milionů tranzistorů na 112 mm2 dnes se vyrábí i 65 nm verze Nejvyspělejší technologie 2008- Dvoujádro Penryn na 45 nm, 410 milionů tranzistorů na ploše 107 mm 2 - základ všech nejnovějších procesorů Intel
Nejvyspělejší technologie Jádro AMD Shanghai přezdívané "K10.5" 705 milionů tranzistorů na ploše 243 mm2, Bloky 6 MB L3 cache zabírají přes 30 procent plochy jádra A jak je to dnes? Intel Core i7-22 nm výrobní technologie 731 milionů tranzistorů 4 fyzická jádra (8 virtuálních procesorů - HTT), jádro Bloomfield, frekvence 3.06GHz Světový polovodičový trh 2005 podle SIA Semiconductor Industry Asociation Růst polovodičového trhu Poměry koncových uživatelů Moorovy zákony Evoluce mikroprocesorů Počet tranzistorů 1 000 000 000 100 000 000 10 000 000 1 000 000 100 000 10 000 5mm 2.4mm 1 Miliarda Tranzistorů 8086 0.18mm 0.5mm 0.8mm 1.2mm i486 Pentium i386 80286 0.032mm i7 Nahalem 0.065mm 0.09mm Pentium IV Pentium III Pentium II Pentium Pro 1 000 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Frekvence (Mhz) Velikost waferu (mm) Vývoj CMOS technologií Dnešní podoba MOS tranzistorů Kdy už to skončí??? Tloušťka hradlového oxidu = 1.2 nm Strained Silicon Evoluce DRAM pamětí Velikost waferů Lidská paměť 4X růst každé 3 roky! kniha 1.6-2.4 mm 1.0-1.2 mm strana 0.7-0.8 mm 0.5-0.6 mm 0.18-0.25 mm 0.35-0.4 mm 0.13 mm 0.1 mm 0.07 mm encyklopedie 2 hod. CD audio 30 sec HDTV 300 000 000 000 Tranzistorů!!! Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL 100 10 1 P6 486 Pentium proc 386 8080 8086 286 8085 ~7% growth per year 8008 4004 ~2X growth in 10 years 1970 1980 1990 2000 2010 Dnes až 45 mm Velikost waferů Hodinová frekvence Srovnání běžně používaných velikostí waferů, (25, 38, 51, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 450mm) V procesorovém průmyslu se dnes používají nejčastěji 200 a 300mm wafery V budoucnosti zřejmě dojde i na 450mm 10000 1000 100 10 8085 2X každé 2 roky P6 Pentium proc 486 386 286 8086 1 0.1 8008 4004 8080 1970 1980 1990 2000 2010
Ztrátový výkon (Watts) Výkonová hustota (W/cm2) 100 10 1 0.1 Ztrátový výkon čipu 8085 8080 8008 4004 286 8086 386 486 P6 Pentium proc 1971 1974 1978 1985 1992 2000 2009 10000 1000 100 Výkonová hustota Nukleární Reaktor 8086 10 4004 P6 8008 8085 286 386 Pentium proc 8080 486 1 1970 1980 1990 2000 2010 Výkonová hustota je příliš veliká pro udržení PN přechodů na rozumné teplotě Raketová Tryska Vývoj osobních počítačů aneb stále nespokojený uživatel 1995 2000 2003 2010 Procesor Pentium Pentium III Ztrátový výkon (W) Frekvence (MHz) Pentium IV Intel i7 1 12 60 100 81 650 1800 3700 Paměť (MB) 8 64 512 16 000 Velikost disku (GB) 0.8 15 80 2000 Cena (Kč) 35 000 30 000 20 000 15 000 A co říci závěrem? Elektronika a mikroelektronika je naprosto fascinující obor Nejdynamičtěji se vyvíjející obor Ostatní nové obory by bez elektroniky neexistovaly Zábavou je nejen její užívání, ale také navrhování A ja by to bylo dnes???