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Evolução dos dispositivos semicondutores. Prof. Marlio Bonfim TE201 - Projeto de Circuitos Integrados Digitais Abril de 2003. Década de 40.
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Evolução dos dispositivos semicondutores Prof. Marlio Bonfim TE201 - Projeto de Circuitos Integrados Digitais Abril de 2003
Década de 40 • 1945 - os laboratórios Bell estabeleceram um grupo formado por William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain e outros para desenvolver um substituto para as válvulas. • 1947 - Invenção do 1º transistor de germânio: Bardeen e Brattain obtiveram sucesso ao criar um circuito amplificador com um dispositivo de contato de ponto, inicialmente chamado “transfer resistance”, sendo chamado mais tarde de transistor. • 1948 - Bardeen e Brattain patentearam a invenção sob o título: "Three Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials”. O transistor de contato de ponto era difícil de produzir e foi substituído posteriormente pelo transistor de junção.
Década de 50 • 1950 – Desenvolvido pela Texas um método para produzir tarugos de germânio com junções crescidas, abrindo o caminho para a fabricação do transistor de junção. • 1951 - Shockley desenvolveu o transistor de junção: forma mais prática do transistor, tornando sua produção em massa mais barata • 1952 - O silício monocristalino é fabricado • 1954 - Primeiro transistor comercial de silício: é lançado em maio pela Texas instrumentos. Construídos a partir de uma barra retangular de um cristal do silício, crescido a partir do silício fundido dopado com impurezas. Os transistores de silício eram mais baratos e operavam em temperaturas superiores ao germânio. • 1954 - Laboratórios Bell desenvolvem processos de oxidação, fotogravação, difusão e corrosão, que são usados na produção do CI até os dias atuais. • 1956 - Bardeen, Brattain e Shockley ganham o prêmio de Nobel de física pela invenção do transistor
Década de 50 • 1954 - O primeiro rádio a transistor Regency Tr-1 é introduzido no mercado. Tinha um circuito com quatro transistores de germânio. • 1955 - Os laboratórios Bell fabricaram o primeiro transistor de efeito de campo. • 1958 - O circuito integrado é inventado por Jack Kilby: elementos de circuito tais como os resistores, capacitores e transistor foram integrados em uma única pastilha. O primeiro CI continha um oscilador com cinco componentes integrados. O inconveniente é que os elementos do circuito foram conectados com fios de ouro, tornando o circuito complexo e difícil de escalonar.
Década de 50 • 1959 - Invenção da tecnologia planar: uma fina camada isolante de dióxido do silício é depositada sobre o semicondutor, sendo abertos furos nas regiões de contato com as junções. Uma segunda camada condutora de metal é depositada sobre o SiO2, sendo em seguida gravada sob um padrão definido (máscara) para interconectar os elementos de circuito. A tecnologia planar abriu as portas para a fabricação em massa de circuitos integrados complexos e é o processo usado até hoje.
Década de 60 • 1960 - Deposição epitaxial: laboratórios Bell desenvolveram a técnica por meio da qual uma camada de material monocristalino é depositada em uma substrato cristalino. • 1960 - os laboratórios Bell fabricam o primeiro MOSFET. • 1961 - Primeiros CIs comerciais: Fairchild e Texas instrumentos. • 1962 - Inventada a Lógica TTL - a indústria do semicondutor ultrapassa USUS$ 1 bilhão • 1963 - Primeiros CIs comerciais MOS: RCA • 1963 - O CMOS: Frank Wanlass da Fairchild publicou a idéia do circuito MOS-complementar (CMOS). A potência estática dissipada era 6 ordens de grandeza inferior à de um circuito TTL equivalente. Hoje o CMOS é à base da grande maioria de CI’s de alta densidade. • 1965 – Primeiros registradores de deslocamento: 100-bit com 600 transistores
Década de 60 • 1965 - A lei de Moore: em 1965 Gordon Moore da Fairchild observou que o número dos componentes por unidade de área de um CI dobrava a cada ano Esta observação tornou-se conhecida como a lei de Moore, sendo o período posteriormente corrigido para 18 meses. Esta lei continua válida até hoje. • 1966 – Primeira Memória bipolar estática: 16-bit, desenvolvida pela IBM para a NASA. • 1966 - Primeiras portas ECL (Emitter Coupled Logic): Motorola, maior velocidade de operação. • 1966 - Primeira Memória dinâmica DRAM: célula de memória baseada na carga e descarga de um capacitor acionada por um único FET. Virtualmente todas as DRAMs modernas são baseadas no mesmo princípio. • 1967 - Primeira Memória de porta flutuante (EPROM): desenvolvida nos laboratórios Bell, é baseada em MOSFET com dupla porta, uma das quais isolada. • 1969 - Tecnologia BiCMOS: associa o baixo consumo do CMOS à alta capacidade de corrente do bipolar.
Década de 70 • 1970 – 1ª DRAM comercial:1Kbits, processo PMOS com porta de silício, 6 níveis de máscaras com dimensões mínimas de 8µm, chip com 10mm2, US$21. • 1971 – Inventada a UVEPROM: memória eletricamente programável, podendo ser apagada com luz ultravioleta intensa. • 1971 - Inventado o microprocessador: a Intel produziu microprocessador de 4-bit 4004. Os 4004 eram um chipset composto por uma ROM de 2kbit, uma RAM de 320bit e o processador de 4bit, cada um com 16 pinos. O processador 4004 requereu aproximadamente 2.300 transistores, PMOS com porta de silício, com dimensões mínimas de 10µm, freqüência de "clock" de 108KHz e tamanho da pastilha 13.5mm2. • 1972 - Inventado o DSP: engenheiros da Westinghouse patentearam o dispositivo sob o título "Programmable Digital Signal Processor".
Década de 70 • 1972 - Teoria do escalonamento do MOSFET: permitiu a melhoria das características dinâmicas do MOSFET, superando o bipolar que dominava naquela época. • 1972 – Lançamento do microprocessador Intel 8008: sucessor dos 4004, foi usado no Mark-8, um dos primeiros computadores pessoais domésticos. Possuía 3.500 transistores, processo PMOS com porta de silício e dimensões mínimas de 10µm, 1 camada de polysilício e 1 camada de metal, freqüência de "clock" de 200kHz e tamanho da pastilha de 15.2mm2. • 1973 - Primeiros BiCMOS comerciais: amplificadores operacionais de alto desempenho. • 1973 - Técnica de impressão por projeção fotolitográfica: permitiu a redução das dimensões mínimas e aumento do “yeld” de fabricação. • 1974 - DRAM de 4Kbit com célula de 1 Transistor: usava processo NMOS com porta de silício, 6 máscaras, dimensões mínimas de 8µm, tamanho da pastilha de aproximadamente 15mm2 e vendido por US$18.
Década de 70 • 1974 - Lançamento do microprocessador Intel 8080: sucessor dos 8008, processo NMOS com dimensões mínimas de 6µm com porta de silício, 1 camada de polysilício e 1 camada de metal, 6.000 transistores, freqüência de "clock" de 2MHz e um tamanho da pastilha de 20.0mm2. • 1976 - DRAM de 16Kbit: possuía dupla camada de polysilício permitindo uma disposição mais eficiente da pilha de memória. • 1978 - Microprocessadores 8086/8088 da Intel: processo NMOS com porta de silício, dimensões mínimas de 3µm, 1 camada do de polysilício e 1 camada de metal, 29.000 transistores, freqüência de "clock" de 10MHz e um tamanho da pastilha de 28.6mm2. Foram selecionados pela IBM em 1980 para comporem o IBM PC. • 1978 - A indústria do semicondutor ultrapassa US$10 bilhões • 1979 - DRAM de 64Kbits.
Década de 80 • 1980 - DSPs comerciais: lançados inicialmente pela Lucent e NEC. • 1982 - Microprocessadores Intel 80286: sucessor do 8086, mantendo compatibilidade de software. Processo CMOS com porta de silício, dimensões mínimas de 1.5µm, 1 camada de polysilício e 2 camadas de metal, 134.000 transistores, freqüência de "clock" de 12MHz e um tamanho da pastilha de 68.7mm2. • 1983 - DRAM de 1Mbit : 1ª DRAM em processo CMOS • 1983 - EEPROM de 16Kbit: memória estática baseado na tecnologia NMOS de porta flutuante, programável e apagável eletricamente, 2 transistores por célula. • 1984 - Memória flash: baseada na EEPROM, com a vantagem de possuir apenas 1 transistor por célula e apagamento rápido por blocos (o termo flash vem desta característica). Lançada comercialmente em 1985 pela Toshiba, 256Kbit. • 1985 - Microprocessador Intel 80386DX: primeiro processador de 32 bits da Intel. Processo CMOS com porta de silício,dimensão mínima de 1.5µm, 10 níveis de máscara, 1 camada de polysilício e 2 camadas de metal, 275.000 transistores, freqüência de "clock" de 33MHz e tamanho da pastilha de 104mm2.
Década de 80 • 1986 - Memória flash ETOX de 256Kbit: “EPROM Tunnel Oxide”, permite operação em baixas tensões. Tipo mais comum de memória flash atualmente. • 1986 - DRAM de 1Mbit em tecnologia não planar: início da tecnologia de células empilhadas ou tipo trincheiras, resultando em aumento da densidade de armazenamento. • 1988 – DRAM de 4Mbit. • 1989 - Intel 80486DX: primeiro processador de Intel incluindo coprocessador de ponto flutuando executando 1 instrução por o ciclo de "clock". Processo CMOS com porta de silício,largura mínima de 1.0µm, 12 níveis de máscara,1 camada de polysilício e 3 camadas de metal, 1,2 milhão de transistores, freqüência de "clock" de 50MHz e um tamanho da pastilha de 163mm2.
Década de 90 • 1991 - DRAM de 16Mbit. • 1993 - Intel Pentium: primeiro processador de Intel capaz de executar mais de 1 instrução por ciclo de "clock". Processo BiCMOS com porta de silício, largura mínima de 0.8µm, 18 níveis de máscara, 1 camada de polysilício, 3 camadas de metal, 3,1 milhão transistores, freqüência de "clock" de 66MHz e um tamanho da pastilha de 264mm2. • 1994 - A indústria do semicondutor ultrapassa a casa dos US$100 bilhões. • 1994 - DRAM de 64Mbit: CMOS com 3 a 5 camadas do polisilício, 2 a 3 camadas de metal e dimensões mínimas de 0.35µm.
Década de 90 • 1995 - Intel Pentium Pro: integra em um mesmo encapsulamento o chip do processador e a memória cache, ambos operando à mesma frequüência. Processo BiCMOS com porta de silício, largura mínima de 0.35µm, 20 níveis de máscara, 1 camada de polysilício, 4 camadas de metal, 5,5 milhões de transistores, freqüência de "clock" de 200MHz e um tamanho da pastilha de 310mm2 (processador).
Década de 90 • 1997 - Intel Pentium II: Processo CMOS com porta de silício, largura mínima de 0.35µm, 16 níveis de máscara,1 camada de polysilício, 4 camadas de metal, 7,5 milhão transistores, freqüência de "clock" de 300MHz e um tamanho da pastilha de 209mm2. • 1998 - 256Mbit DRAM: introduziu o uso de dielectricos de elevada permissividade, representando a quarta principal inovação das DRAMs. CMOS com 4 a 5 camadas do polisilício, 2 a 3 camadas de metal, dimensões mínimas de 0.25µm, pastilha de 204mm2. • 1999 - Intel Pentium III: que de o Pentium III retornou a um pacote mais padrão de PGA e integrou o esconderijo na microplaqueta. Processo CMOS com porta de silício, largura mínima de 0.18µm, 21 níveis de máscara e teve 1 camada de polysilício e 6 camadas de metal, o Pentium III tiveram 28 milhão transistores, freqüência de "clock" de 733MHz e um tamanho da pastilha de 140mm2.
Anos 2000 • 2000 – Intel Pentium 4: introduziu uma unidade de processamento inteiro que funciona duas vezes mais rápido que o processador. Processo CMOS com porta de silício, largura mínima de 0.18µm, 21 níveis de máscara, 1 camada de polysilício e 6 camadas de metal, 42 milhões de transistores, freqüência de "clock" de 1,5GHz e um tamanho da pastilha de 224mm2. • 2001 – Intel Xeon: baseado na arquitetura NetBurst, 1.5V, 85W a uma freqüência de "clock" de 3GHz • 2002 – Intel Itanium: usa a tecnologia de instrução explicitamente paralela (EPIC), possibilitando execução simultanea de instruções múltiplas. 25 milhões de transistores na CPU, 300 milhões na memória cache de 2MBytes, freqüência de "clock" de 1GHz.
