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UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIAEscuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
Tema 1Introducción a la electrónica
Roberto Sarmiento4º - Ingeniero Industrial
2ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII
Índice
1.1. Evolución tecnológica1.2. Metodologías de diseño1.3. Factores económicos1.4. Aplicaciones
E.T.S. de Ingenieros Industriales Electrónica Industrial, 4º curso
® «Roberto Sarmiento y Sebastián López»
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3ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII
Objetivos
1. Mostrar la evolución de la tecnología electrónica2. Comprender que nueva tecnología conlleva nuevas
herramientas y técnicas3. Conocer las nuevas tendencias en el diseño electrónico4. Conocer los factores económicos que influyen en el
desarrollo de sistemas electrónicos5. Conocer las aplicaciones de la tecnología electrónica
4ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII
1.1. Evolución tecnológica• 1958: primer circuito integrado
– Construido por Jack Kilby en Texas Instruments (Premio Nobel en 2000, 42 años después y a los 77 años)
– El circuito tenía un transistor, un condensador y una resistencia• 2003
– Microprocesador Intel Pentium 4 (55 millones de transistores)– 512 Mbit DRAM (> 500 millones de transistores)
• 2005:– ¡1700 millones de transistores en un chip!
• Crecimiento continuado del 53% en los últimos 45 años– Ninguna otra tecnología ha crecido tanto durante tanto tiempo
• Factor clave: miniaturización de los transistores– Más pequeño ¡más barato, más rápido, menos potencia!– Está teniendo efectos revolucionarios en la sociedad
• 1957: primer rectificador controlado de silicio (SCR) desarrollado por la General Electric
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1.1. Evolución tecnológica
• 1018 transistores fabricados en 2003– 100 millones para cada persona del planeta
0
50
100
150
200
1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002
Year
Global S
emiconductor B
illings(B
illions of US
$)
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1.1. Evolución tecnológica
• 1947: William Shockley, Walter Brattain, and John Bardeeninventan el transistor bipolar de punta. Por ello recibieron el Premio Novel de Física en 1956.
• El material que utilizaron era Germanio
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1.1. Evolución tecnológica
• 1958: J. Kilby de Texas Instrument inventa el primer circuito integrado, tambien usando Germanio.
• En 1959 Robert Noyce (fundador de Intel) realizar el primer circuito integrado de Silicio usando deposición de vapor. En ese momento estaba en FairchildSemiconductor.
8ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII
• En 1965, Gordon Moore notó que el número de transistores por chip se doblaba cada 18 o 24 meses
• Entonces hizo una predicción sobre la tecnología de semiconductores en la cual afirmaba que su efectividad se duplicaba cada 18 meses
16151413121110
9876543210
1959
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1967
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1969
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1971
1972
1973
1974
1975
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INTE
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CTI
ON
Electronics, April 19, 1965.
1.1. Evolución tecnológica
Ley de Moore
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1.1. Evolución tecnológica
Evolución de la complejidad
4.000.000
16.000.000
64.000.000
1.000.000
256.000
64.000
16.000
4.000
1.000
256
64
10
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1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010
Año
Capa
cida
d (K
bit/
chip
)
1.6-2.4 μm
1.0-1.2 μm
0.7-0.8 μm
0.5-0.6 μm
0.35-0.4 μm
0.18-0.25 μm0.13 μm
0.1 μm
0.07 μm
• Memoria humana• DNA humano
• Enciclopedia• 2h CD audio
• Libro
• Página de libro
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1,000,000
100,000
10,000
1,000
10
100
11975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
808680286
i386i486
Pentium®Pentium® Pro
K 1000 1000 millonesmillonestransistorestransistores
Source: IntelSource: Intel
Projected
Pentium® IIPentium® III
Courtesy, Intel
Número de transistores
1.1. Evolución tecnológica
Crecimiento = ¡2x en 1.96 años!
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11ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII
40048008
80808085
8086286
386486 Pentium ® proc
P6
1
10
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1970 1980 1990 2000 2010Year
Die
siz
e (m
m)
Crece el ~7% por año~2X en 10 años
El tamaño del chip crece un 14% para ajustarse a la Ley de MooreEl tamaño del chip crece un 14% para ajustarse a la Ley de Moore
Courtesy, Intel
Tamaño del chip
1.1. Evolución tecnológica
12ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII
4004 80386 Pentium Pro
300.000 tr.20.000 tr. 6.000.000 tr.
1.1. Evolución tecnológica
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Obleas de Silicio (wafers)
1.1. Evolución tecnológica
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P6Pentium ® proc
486386
2868086
80858080
80084004
0.1
1
10
100
1971 1974 1978 1985 1992 2000Year
Pow
er (W
atts
)
La potencia consumida por los procesadores no para de crecerLa potencia consumida por los procesadores no para de crecer
Courtesy, Intel
Disipación de potencia
1.1. Evolución tecnológica
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15ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII
5KW 18KW
1.5KW 500W
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8086286
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Pentium® proc
0.1
1
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100
1000
10000
100000
1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008Year
Pow
er (W
atts
)
La potencia disipada será prohibitiva La potencia disipada será prohibitiva
Disipación de potencia
1.1. Evolución tecnológica
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1.1. Evolución tecnológica• Intel VP Patrick Gelsinger (ISSCC 2001)
– “If scaling continues at present pace, by 2005, high speed processors would have power density of nuclear reactor, by 2010, a rocket nozzle, and by 2015, surface of sun”
– “Business as usual will not work in the future.”
• Al día siguiente las acciones de Intel bajaron un 8%
400480088080
8085
8086
286 386486
Pentium® procP6
1
10
100
1000
10000
1970 1980 1990 2000 2010Year
Pow
er D
ensi
ty (W
/cm
2)
Hot Plate
NuclearReactor
RocketNozzle
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1.1. Evolución tecnológica• Semiconductor Industry Association forecast
– Intl. Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)
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• La electrónica de potencia jugará un rol crítico en el empleo eficiente de la energía y en la automatización industrial global en este siglo
1.1. Evolución tecnológica
• Los transistores de señal y circuitos integrados base de la moderna época computacional pueden considerarse como una 1ªrevolución tecnológica. Ahora, los conjuntos de semiconductores de alta potencia emergentes prometen una 2ª revolución:
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19ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII
• La tecnología se reduce en factores de 0,7 cada generación– Con cada generación se pueden integrar 2x funciones por chip– el precio del chip no se incrementa significativamente, por lo que
el coste de las funciones decrece en factores de 2x
• Pero …– ¿cómo diseñar chips con número de funciones creciente?– ¡el número de ingenieros no se multiplica dos veces cada año! …
• Por lo tanto, hay una necesidad de métodos de diseño más eficientes– Explotar los diferentes niveles de abstracción
¿Por qué se escala?
1.2. Metodologías de diseño
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La complejidad sobrepasa la capacidad de diseñoLa complejidad sobrepasa la capacidad de diseño
1
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1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
2003
1981
1983
1985
1987
1989
1991
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1995
1997
1999
2001
2005
2007
2009
10
100
1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
100,000,000
Logic Tr./ChipTr./Staff Month.
xxx
xxx
x
21%/Yr. compoundProductivity growth rate
x
58%/Yr. compoundedComplexity growth rate
10,000
1,000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
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0.01
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100,000
Pro
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(K) T
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Source: Sematech
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1.2. Metodologías de diseño
“gap”
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n+n+S
GD
+
DEVICE
CIRCUIT
GATE
MODULE
SYSTEMNiveles de abstracción
1.2. Metodologías de diseño
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1.2. Metodologías de diseño
Tendencias en el diseño
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1.3. Factores económicos
• Precio de venta Stotal
• m = margen de beneficios
• Ctotal = Coste total– Coste de ingeniería no recursiva (NRE)
– Costes recursivos
– Costes fijos
mCS total
total −=
1
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1.3. Factores económicos
• Costes de ingeniería– Depende del tamaño del equipo de trabajo– Debe incluir costes de entrenamiento (training) y
amortización de equipos (ordenadores)– Herramientas CAD:
• Digital front end: $10K• Analog front end: $100K• Digital back end: $1M
• Fabricación de prototipos– Coste de las máscaras: $500k – 1M (proceso de
130 nm)– Test y encapsulado
NRE
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1.3. Factores económicos
• Fabricación– Coste de las obleas/(Chips por oblea * Yield)– Coste de las obleas: $500 - $3000– Chips por oblea:
– Yield: Y = e-AD
• Para A pequeña, Y ≈ 1, coste proporcional al área• Para A muy grande, Y → 0, el coste aumenta exponencialmente
• Encapsulado de cada uno de los chips a vender• Test de cada uno de los chips a vender
2 22
r rNA A
π⎡ ⎤
= −⎢ ⎥⎣ ⎦
Costes recursivos
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1.3. Factores económicos
• Documentación• Marketing y publicidad• Análisis del yield
Costes fijos
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ULPGC
1.3. Factores económicos
V = Ventas totales del producto2W = Vida del producto
R = Retraso en la introducción del producto en el mercado
Vida del producto = 2W
Ventas
W
TiempoR
Pérdidas en las ganancias
Time to market (TTM)
WRWRVPérdidas
2)3( −⋅
=
ULPGC
1.3. Factores económicos
Time to market (TTM)
56,8%1022,2777,844%418009200
44,4%800,01000,033%318009200
30,9%555,61244,422%218009200
16,0%288,91511,111%118009200
56,8%511,1388,944%49009100
44,4%400,0500,033%39009100
30,9%277,8622,222%29009100
16,0%144,4755,611%19009100
56,8%127,897,244%4225925
44,4%100,0125,033%3225925
30,9%69,4155,622%2225925
16,0%36,1188,911%1225925
Pérdidas %PérdidasB2RB1WVest
(Todas las cifras en M$)
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1.4. Aplicaciones
• Las aplicaciones son prácticamente infinitas y se extienden a casi todos los aspectos de la vida
• Medicina• Tecnologías de la
información• Electrónica de consumo• Transporte de
pasajeros/mercancías• Comunicaciones• Aeroespacial• etc. etc.
• Automatización industrial• Automoción• Generación de energía eléctrica• Energías renovables (energía
eólica, fotovoltaica, etc.) • Transmisión y distribución de
energía• Fuentes de alimentación• Domótica
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1.4. Aplicaciones
• En casi todas las aplicaciones los microprocesadores y las comunicaciones están presentes
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