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1 UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Tema 1 Introducción a la electrónica Roberto Sarmiento 4º - Ingeniero Industrial 2 ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII Índice 1.1. Evolución tecnológica 1.2. Metodologías de diseño 1.3. Factores económicos 1.4. Aplicaciones E.T.S. de Ingenieros Industriales Electrónica Industrial, 4º curso ® «Roberto Sarmiento y Sebastián López»

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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

E.T.S. de Ingenieros Industriales Electrónica Industrial, 4º curso

® «Roberto Sarmiento y Sebastián López»

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5ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

1.1. Evolución tecnológica

• 1018 transistores fabricados en 2003– 100 millones para cada persona del planeta

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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

$)

6ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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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7ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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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1975

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Electronics, April 19, 1965.

1.1. Evolución tecnológica

Ley de Moore

E.T.S. de Ingenieros Industriales Electrónica Industrial, 4º curso

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9ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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

10ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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

100

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

E.T.S. de Ingenieros Industriales Electrónica Industrial, 4º curso

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7

13ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

Obleas de Silicio (wafers)

1.1. Evolución tecnológica

14ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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

E.T.S. de Ingenieros Industriales Electrónica Industrial, 4º curso

® «Roberto Sarmiento y Sebastián López»

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15ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

5KW 18KW

1.5KW 500W

4004800880808085

8086286

386486

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 será prohibitiva La potencia disipada será prohibitiva

Disipación de potencia

1.1. Evolución tecnológica

16ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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

E.T.S. de Ingenieros Industriales Electrónica Industrial, 4º curso

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17ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

1.1. Evolución tecnológica• Semiconductor Industry Association forecast

– Intl. Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

18ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

• 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

20ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

La complejidad sobrepasa la capacidad de diseñoLa complejidad sobrepasa la capacidad de diseño

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

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Chi

p(M

)

0.01

0.1

1

10

100

1,000

10,000

100,000

Pro

duct

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(K) T

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o.

Source: Sematech

Com

plex

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1.2. Metodologías de diseño

“gap”

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21ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

n+n+S

GD

+

DEVICE

CIRCUIT

GATE

MODULE

SYSTEMNiveles de abstracción

1.2. Metodologías de diseño

22ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

1.2. Metodologías de diseño

Tendencias en el diseño

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23ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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

24ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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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25ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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

26ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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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29ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

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

30ULPGC Electrónica Industrial - 4º ETSII

1.4. Aplicaciones

• En casi todas las aplicaciones los microprocesadores y las comunicaciones están presentes

E.T.S. de Ingenieros Industriales Electrónica Industrial, 4º curso

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