1UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIAEscuela Tcnica Superior de Ingenieros Industriales
Tema 1Introduccin a la electrnica
Roberto Sarmiento4 - Ingeniero Industrial
2ULPGC Electrnica Industrial - 4 ETSII
ndice
1.1. Evolucin tecnolgica1.2. Metodologas de diseo1.3. Factores econmicos1.4. Aplicaciones
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Roberto Sarmiento y Sebastin Lpez
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Objetivos
1. Mostrar la evolucin de la tecnologa electrnica2. Comprender que nueva tecnologa conlleva nuevas
herramientas y tcnicas3. Conocer las nuevas tendencias en el diseo electrnico4. Conocer los factores econmicos que influyen en el
desarrollo de sistemas electrnicos5. Conocer las aplicaciones de la tecnologa electrnica
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1.1. Evolucin tecnolgica 1958: primer circuito integrado
Construido por Jack Kilby en Texas Instruments (Premio Nobel en 2000, 42 aos despus y a los 77 aos)
El circuito tena 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 ltimos 45 aos Ninguna otra tecnologa ha crecido tanto durante tanto tiempo
Factor clave: miniaturizacin de los transistores Ms pequeo ms barato, ms rpido, menos potencia! Est teniendo efectos revolucionarios en la sociedad
1957: primer rectificador controlado de silicio (SCR) desarrollado por la General Electric
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1.1. Evolucin tecnolgica
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. Evolucin tecnolgica
1947: William Shockley, Walter Brattain, and John Bardeeninventan el transistor bipolar de punta. Por ello recibieron el Premio Novel de Fsica en 1956.
El material que utilizaron era Germanio
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1.1. Evolucin tecnolgica
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 deposicin de vapor. En ese momento estaba en FairchildSemiconductor.
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En 1965, Gordon Moore not que el nmero de transistores por chip se doblaba cada 18 o 24 meses
Entonces hizo una prediccin sobre la tecnologa de semiconductores en la cual afirmaba que su efectividad se duplicaba cada 18 meses
16151413121110
9876543210
1959
1960
1961
1962
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
LOG
2 OF
THE
NU
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PER
INTE
GR
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D F
UN
CTI
ON
Electronics, April 19, 1965.
1.1. Evolucin tecnolgica
Ley de Moore
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1.1. Evolucin tecnolgica
Evolucin 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
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010
Ao
Capa
cida
d (K
bit/
chip
)
1.6-2.4 m1.0-1.2 m
0.7-0.8 m0.5-0.6 m
0.35-0.4 m0.18-0.25 m
0.13 m0.1 m
0.07 m
Memoria humana DNA humano
Enciclopedia 2h CD audio
Libro
Pgina 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
PentiumPentium Pro
K 1000 1000 millonesmillonestransistorestransistores
Source: IntelSource: Intel
Projected
Pentium IIPentium III
Courtesy, Intel
Nmero de transistores
1.1. Evolucin tecnolgica
Crecimiento = 2x en 1.96 aos!
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611ULPGC Electrnica Industrial - 4 ETSII
40048008
80808085
8086286
386486 Pentium proc
P6
1
10
100
1970 1980 1990 2000 2010Year
Die
siz
e (m
m)
Crece el ~7% por ao~2X en 10 aos
El tamao del chip crece un 14% para ajustarse a la Ley de MooreEl tamao del chip crece un 14% para ajustarse a la Ley de Moore
Courtesy, Intel
Tamao del chip
1.1. Evolucin tecnolgica
12ULPGC Electrnica Industrial - 4 ETSII
4004 80386 Pentium Pro
300.000 tr.20.000 tr. 6.000.000 tr.
1.1. Evolucin tecnolgica
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Obleas de Silicio (wafers)
1.1. Evolucin tecnolgica
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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
Disipacin de potencia
1.1. Evolucin tecnolgica
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5KW 18KW
1.5KW 500W
400480088080
80858086
286386
486
Pentium proc
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008Year
Pow
er (W
atts
)
La potencia disipada ser prohibitiva La potencia disipada ser prohibitiva
Disipacin de potencia
1.1. Evolucin tecnolgica
16ULPGC Electrnica Industrial - 4 ETSII
1.1. Evolucin tecnolgica 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 da siguiente las acciones de Intel bajaron un 8%
400480088080
8085
8086
286 386 486Pentium proc
P6
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. Evolucin tecnolgica Semiconductor Industry Association forecast
Intl. Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)
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La electrnica de potencia jugar un rol crtico en el empleo eficiente de la energa y en la automatizacin industrial global en este siglo
1.1. Evolucin tecnolgica
Los transistores de seal y circuitos integrados base de la moderna poca computacional pueden considerarse como una 1revolucin tecnolgica. Ahora, los conjuntos de semiconductores de alta potencia emergentes prometen una 2 revolucin:
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10
19ULPGC Electrnica Industrial - 4 ETSII
La tecnologa se reduce en factores de 0,7 cada generacin Con cada generacin 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 cmo disear chips con nmero de funciones creciente? el nmero de ingenieros no se multiplica dos veces cada ao!
Por lo tanto, hay una necesidad de mtodos de diseo ms eficientes Explotar los diferentes niveles de abstraccin
Por qu se escala?
1.2. Metodologas de diseo
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La complejidad sobrepasa la capacidad de diseoLa complejidad sobrepasa la capacidad de diseo
1
10
100
1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
2003
1981
1983
1985
1987
1989
1991
1993
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
Logi
c Tr
ansi
stor
per
Chi
p(M
)
0.01
0.1
1
10
100
1,000
10,000
100,000
Pro
duct
ivity
(K) T
rans
./Sta
ff -M
o.
Source: Sematech
Com
plex
ity
1.2. Metodologas de diseo
gap
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11
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n+n+S
GD
+
DEVICE
CIRCUIT
GATE
MODULE
SYSTEMNiveles de abstraccin
1.2. Metodologas de diseo
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1.2. Metodologas de diseo
Tendencias en el diseo
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1.3. Factores econmicos
Precio de venta Stotal
m = margen de beneficios
Ctotal = Coste total Coste de ingeniera no recursiva (NRE)
Costes recursivos
Costes fijos
mCS totaltotal = 1
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1.3. Factores econmicos
Costes de ingeniera Depende del tamao del equipo de trabajo Debe incluir costes de entrenamiento (training) y
amortizacin de equipos (ordenadores) Herramientas CAD:
Digital front end: $10K Analog front end: $100K Digital back end: $1M
Fabricacin de prototipos Coste de las mscaras: $500k 1M (proceso de
130 nm) Test y encapsulado
NRE
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1.3. Factores econmicos
Fabricacin Coste de las obleas/(Chips por oblea * Yield) Coste de las obleas: $500 - $3000 Chips por oblea:
Yield: Y = e-AD Para A pequea, Y 1, coste proporcional al rea Para A muy grande, Y 0, el coste aumenta exponencialmente
Encapsulado de cada uno de los chips a vender Test de cada uno de los chips a vender
2 22
r rNA A
=
Costes recursivos
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1.3. Factores econmicos
Documentacin Marketing y publicidad Anlisis del yield
Costes fijos
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14
ULPGC
1.3. Factores econmicos
V = Ventas totales del producto2W = Vida del producto
R = Retraso en la introduccin del producto en el mercado
Vida del producto = 2W
Ventas
W
TiempoR
Prdidas en las ganancias
Time to market (TTM)
WRWRVPrdidas
2)3( =
ULPGC
1.3. Factores econmicos
Time to market (TTM)
56,8%1022,2777,844%418009200
44,4%800,01000,033%318009200
30,9%555,61244,422%218009200
16,0%288,91511,111%118009200
56,8%511,1388,944%49009100
44,4%400,0500,033%39009100
30,9%277,8622,222%29009100
16,0%144,4755,611%19009100
56,8%127,897,244%4225925
44,4%100,0125,033%3225925
30,9%69,4155,622%2225925
16,0%36,1188,911%1225925
Prdidas %PrdidasB2RB1WVest
(Todas las cifras en M$)
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15
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1.4. Aplicaciones
Las aplicaciones son prcticamente infinitas y se extienden a casi todos los aspectos de la vida
Medicina Tecnologas de la
informacin Electrnica de consumo Transporte de
pasajeros/mercancas Comunicaciones Aeroespacial etc. etc.
Automatizacin industrial Automocin Generacin de energa elctrica Energas renovables (energa
elica, fotovoltaica, etc.) Transmisin y distribucin de
energa Fuentes de alimentacin Domtica
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1.4. Aplicaciones
En casi todas las aplicaciones los microprocesadores y las comunicaciones estn presentes
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