L’Elettronica di Oggi e
Transcript of L’Elettronica di Oggi e
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
L’Elettronica di Oggi e
Quella che Verrà
Cecilia Metra
DEI - ARCES – University of Bologna
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Elettronica Oggi Pervasiva e Connessa -
- Internet of Things (IoT)
M. Bohr, Z. Ball, "Building Winning Products with Intel® Advanced Technologies and Custom Foundry
Platforms”, Intel Developer Forum, 2016
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Tecnologia Microelettronica Oggi
M. Bohr, Z. Ball, "Building Winning Products with Intel® Advanced Technologies and Custom
Foundry Platforms”, Intel Developer Forum, 2016
Future options subject to change
nm7 nm10 nm14 22 nm
Research Development Manufacturing
III -V
Dense
Memory
3D Material Synthesis
III-V
EUV
D Materials2
Nanowire
Qubit
Beyond
CMOS
Dense
Memory
10 nm
Interconnect
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Tecnologia Microelettronica Oggi (cont)
M. Bohr, “14nm Process Technology: Opening New Horizons ”, Intel Developer Forum, 2014
Quanto sono piccoli 14nm?
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Come viene Fabbricata l’Elettronica?
A partire dalla silice, mediante
serie di processi tecnologici
produzione di un “lingotto” di
silicio monocristallino.
Mark Winter, “WebElemnts”
https://it.wikipedia.org/wiki
/Monocristallo
https://it.wikipedia.org/wiki/Wafer_(elettronica)
Il “lingotto” viene tagliato a
“fette” (“wafer”).
Mediante serie di complessi
processi tecnologici su ciascun
wafer realizzazione di
circuiti integrati (“chip”),
ciascuno dei quali oggi
contiene decine di miliardi di
elementi base (transitori).
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Come viene Fabbricata l’Elettronica?
La fabbricazione
avviene in camere
bianche.
http://www.intel.com/content/www/us/en/history/museum-making-silicon.html
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
p-Si
Alcuni Processi Tecnologici: Ossidazione
Per la fabbricazione di un transistor (di tipo nMOS), si
parte da un substrato di silicio arricchito (drogato) con
atomi di boro (semiconduttore tipo p, o p-Si).
il gas ossidante che viene fatto fluire
attraverso il reattore è ossigeno
(ossidazione dry), o vapor acqueo
(ossidazione steam).
Ossidazione dry: Si + O2 SiO2
Ossidazione steam: Si + 2H2O SiO2 + 2H2
Si accresce uno strato di ossido di Silicio, tramite
ossidazione termica, effettuata in reattori mantenuti ad
elevata temperatura (700 - 1200°C):
SiO2
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Foto-resist
Alcuni Processi Tecnologici: Fotolitografia
Rimozione selettiva SiO2
tramite Fotolitografia
La superficie di SiO2 è
cosparsa di photoresist
(materiale organico che
polimerizza se esposto a
raggi UV).
Le maschere presentano aree opache o trasparenti i
raggi UV passeranno solo attraverso le zone chiare della
maschera polimerizzazione selettiva photoresist.
SiO2
p-Si
Maschera
Raggi UV
Esposizione a radiazione UV
attraverso una maschera.
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Alcuni Processi Tecnologici: Fotolitografia
Photoresist positivo (negativo):
le aree polimerizzate (non
polimerizzate) possono essere
asportate mediante attacco
chimico.
SiO2
p-Si
SiO2 L’ossido di Si non protetto dal
photoresist può essere asportato
mediante una soluzione acquosa
a base di acido fluoridrico.
p-Si
Un successivo attacco chimico
rimuove il photoresist rimasto.
SiO2
p-Si
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Altri Processi Tecnologici
per Realizzare un Transistor
Creazione di regioni drogate di
tipo n (n+), tramite diffusione o
impiantazione ionica.
SiO2
p-Si
n+ n+
Atomi
fosforoAtomi
fosforo
Deposizione di Silicio policristallino
(Poli-Si) altamente conduttivo sopra
il SiO2 (le geometrie sono definite
tramite processo fotolitografico)
Poli-Si
SiO2
p-Sin+ n+
Deposizione di strato metallico (le
geometrie sono definite tramite
processo fotolitografico)
Poli-Si
SiO2
p-Sin+ n+
Drain (D)
Gate (G)
Source (S)
D SG
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Fasi Finali del Processo di Fabbricazione
Un wafer può contenere parecchie centinaia di chip.
Ogni chip può contenere decine di miliardi di
transistori.
Viene effettuata una fase iniziale di collaudo dei circuiti
(ancora sul wafer), e sono individuati i circuiti non
funzionanti correttamente (che verranno scartati).
Il wafer viene tagliato in modo da separare i vari chip.
I chip “buoni” sono inseriti entro contenitori
(packages), nuovamente collaudati e messi in vendita.
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Tecnologia Microelettronica Oggi
M. Bohr, Z. Ball, "Building Winning Products with Intel® Advanced Technologies and Custom
Foundry Platforms”, Intel Developer Forum, 2016
Future options subject to change
nm7 nm10 nm14 22 nm
Research Development Manufacturing
III -V
Dense
Memory
3D Material Synthesis
III-V
EUV
D Materials2
Nanowire
Qubit
Beyond
CMOS
Dense
Memory
10 nm
Interconnect
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Cenni Storici
1946: Primo calcolatore elettronico
(ENIAC), costruito a partire
dal 1942 presso l'Università
della Pennsylvania.
WindoWeb, “Storia informatica”
ENIAC
Velocità 5.000 addizioni / sec
Memoria 200 bytes
18.000 tubi a vuoto
6.000 interruttori
Elementi 10.000 condensatori
70.000 resistenze
1.500 relays
Misure altezza 3 metri x
superficie 160 metri
quadrati
Peso 30 tonnellate
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Cenni Storici
1947: Bardeen, Brattain & Shockley
(Bell Labs) - invenzione del
Transistor Bipolare.
WindoWeb, “Storia informatica”
1952: Texas Instruments - Produzione
commerciale di transistori bipolari
al Silicio.
1956: Primi computer a transistor.
1958: Kilby (Texas Instruments) & Noyce,
Moore (Fairchild Semiconductor) –
Sviluppo di Circuiti Integrati.
1961: Fairchild Semiconductor - Primo
circuito integrato (IC) commerciale.
http://www.science.unitn.it/~mostre/Daltrans/scoptra.html
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Cenni Storici
1961: Hofstein e Heiman (Laboratori RCA) - primo
transistor MOSFET.
fine 1962: Hofstein e Heiman (RCA) - primo circuito
integrato con 16 MOSFET.
1963: Wanlass e Sah (Fairchlid) – invenzione CMOS.
1967: Fairchild Semiconductor - primo chip di
memoria RAM (Random Access Memory) da
256 bits. Il chip contiene più di mille
transistor.
1967: IBM – Celle di memoria dinamica.
1968: Noyce e Moore fondano Intel.
1969: Intel - Primo processore (Intel4004, a 4 bit).
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Calcolatori a Confronto
Microprocessore
(1969)
WindoWeb, “Storia informatica”
Intel 4004
ENIAC (1946)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
La legge di Moore (1965) ha scandito lo sviluppo della
tecnologia microelettronica e ne sta guidando gli
sviluppi futuri.
Courtesy of Intel Corporation
Intel Techn. Journal, 2007
https://www.elektormagazine.com/articles/moores-law
Sviluppo Tecnologia Microelettronica
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Sviluppo Tecnologia Microelettronica
http://www.intel.com/content/www/us/en/silicon-innovations/moores-law-technology.html
Se i transistori in un microprocessore fossero persone…
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Modifiche Architetturali: sistemi multicore/many-core
(dal 2000)
Modifiche dei Materiali: high-k gate insulator (dal
2007)
Modifiche dei Dispositivi: Tri-gate transistors
(dal 2011)
Com’è Stato Possibile Seguire
la Legge di Moore?
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Modifiche Architetturali: sistemi multicore/many-core
June 15, 2010:
Microprocessore
sperimentale con
48-cores
http://www.intel.com/pressroom/inn
ovation, June 15, 2010
IEEE Computer Society 2022 Report, 2014
Una tendenza che continuerà…
Com’è Stato Possibile Seguire
la Legge di Moore? (cnt)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra 21
Courtesy of Intel Corporation Intel Press Kit, November, 2007
Modifiche dei Materiali:
Intel 45nm dual-core, Hafnium-based High-k Metal
Gate process.
Com’è Stato Possibile Seguire
la Legge di Moore? (cnt)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Vantaggi Hafnium-based High-k Metal Gate process:
Courtesy of Intel Corporation Intel’s High-k/Metal Gate k/Metal Gate Announcement November 4th, 2003
Com’è Stato Possibile Seguire
la Legge di Moore? (cnt)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Modifiche dei Dispositivi:
Tri-Gate Transistors velocità
maggiore & consumo inferiore [2002].
Courtesy of Intel Corporation
R. S. Chau, Technology @ Intel
Magazine, August 2006
Intel Newsroom, April, 2012-IDF2012
Processori Intel 3rd Generation
Intel® Core™ (annunciati il 23
aprile 2012):
Quad Core die
1.4Billion tansistors
22 nm 3-gate
transistor technology
Com’è Stato Possibile Seguire la Legge di
Moore? (cnt)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Transistore Planare Transistore Tri-Gate
Courtesy of Intel Corporation Bohr, Mistry, “22nm Details_Presentation”, May 2011
2 fins 3 fins
Com’è Stato Possibile Seguire
la Legge di Moore? (cnt)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Courtesy of Intel Corporation Intel Developer Forum San Francisco 2014
Processore 6th Gen Intel® Core™
(annunciato il 1 settembre 2015):
14 nm, 2nd generation 3-gate
transistor technology
rispetto ai precedenti Intel Core
processor
performance
velocità elaborazione grafica
autonomia di carica
Com’è Stato Possibile Seguire
la Legge di Moore? (cnt)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
La legge di Moore consente di aumentare la densità
d’integrazione (complessità) e velocità, ma questo accade
insieme a:
Nuove Sfide per il Collaudo e l’Affidabilità
Durante la fabbricazione:
Entità di variazioni dei
parametri di processo &
Probabilità di difetti fisiciCourtesy of Jerry Soden, Sandia Lab (USA)
Courtesy of Dr. Monica Alderighi, INAF (Italy)
Sul Campo:
Vulnerabilità a guasti
transitori
probabilità di fenomeni
di invecchiamento
Come Sarà Possibile Seguire la Legge di Moore?
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Collaudo (Testing)
Processo che garantisce che un chip, una volta fabbricato, funzioni correttamente:
Chip non correttamente funzionanti vengono scartati;
Chip correttamente funzionanti vengono immessi sul mercato
Il collaudo è effettuato
con l’ausilio di una
macchina di collaudo
(Automatic Test
Equipment (ATE)).
Courtesy of V. D. Agrawal, Agere (USA)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Perchè Collaudo?
Molteplici possibili guasti
(che possono compromettere
il corretto funzionamento del
chip) dovuti a:
limiti del processo di
fabbricazione;
difetti dei materiali;
fattori ambientali;
fenomeni fisici di varia
natura.
Courtesy of Jerry Soden, Sandia Lab (USA)
Courtesy of C.
Hawkins (U. New
Mexico) & J.
Segura (U.
Balearic Islands)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
La legge di Moore consente di aumentare la densità
d’integrazione (complessità) e velocità, ma questo accade
insieme a:
Nuove Sfide per il Collaudo e l’Affidabilità degli IC
Come Sarà Possibile Seguire la Legge di Moore?
Durante la fabbricazione:
Entità di variazioni dei
parametric di processo &
Probabilità di difetti fisici
Courtesy of Jerry Soden, Sandia Lab (USA)
Courtesy of Dr. Monica Alderighi, INAF (Italy)
Sul Campo:
Vulnerabilità a guasti
transitori
probabilità di fenomeni
di invecchiamento
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Guasti Transitori (TFs)
e Single Event Transients (SETs)
Guasti dovuti a radiazioni, particelle , neutroni, ed
altre particelle emesse dal sole, ecc., o dal decadimanto
radiativo di impurità presenti nel package dei
dispositivi.
Sono sempre stati un problema per applicazioni spaziali
ed avioniche.
A causa della riduzione dimensioni minime realizzabili
e della tensione di alimentazione consentiti dallo
sviluppo della tecnologia microelettronica sono da una
quindicina d’anni un problema anche per l’elettronica
di consumo, usata a livello del suolo.
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
“Shower” di Galactic Cosmic Rays (GCR)
Collisione tra GCR e
O & N
Credits NASA/GSFCZiegler, 1996
generazione di
neutroni, elettroni,
protoni, fotoni, ecc
problemi per
l’elettronica di
aerie, shuttle, e al
livello del suolo
Courtesy of Dr. Monica Alderighi, INAF (Italy)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
South Atlantic Anomaly (SAA)
J. Barth, 1997Courtesy of Dr. Monica Alderighi, INAF (Italy)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Errori dovuti a Protoni nella SAA
Credits: NASA/GSFCCourtesy of Dr. Monica Alderighi, INAF (Italy)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Guasti sul Campo e Conseguenze: Esempi
L’ hardware può guastarsi durante il suo funzionamento, a causa della comparsa (durante il funzionamento) di SETs e altri guasti.
Esempi di “crash” di sistema causati da guasti nell’hardware dei computer di controllo:
blocco del sistema di controllo di volo dell’ Airbus A320 a Bangladore, India (Gennaio 1990);
blocco del computer di bordo dell’ Airbus A330sull’oceano Atlantico (Giugno 2009);
guasto di 30 ore della rete bancomat in Francia,con il 40% dei 21 mln di possessori di bancomat
impossibilitati all’utilizzo (Giugno 1993)
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Affidabilità
I sistemi per applicazioni avioniche, trasporto,
spaziali, controllo impianti pericolosi, ecc.
richiedono alta affidabilità.
L’affidabilità (reliability, R(t)), è la probabilità
condizionata che un sistema sia correttamente
funzionante al tempo t, se è correttamente
funzionante al tempo t=0.
Quindi l’affidabilità fornisce una misura della
continuità del servizio (correttamente) offerto.
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Progettazione ad Alta Affidabilità
(Fault-Tolerance)
Hardware
Fault-Tolerance
Tecniche TradizionaliNuove Tecniche a
Basso Costo?
Ridondanza
Modulare
On-Line Testing
& Recovery
Utilizzo di Codici a
Correzione d’Errore
Utilizza varie forme di ridondanza, quali:
ridondanza hardware, software, d’informazione,
temporale.
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Come sarà l’Elettronica entro il 2020?
Massima diffusione dell’IoT
M. Bohr, Z. Ball, "Building Winning Products with Intel®
Advanced Technologies and Custom Foundry Platforms”,
Intel Developer Forum, 2016
Batteria a ioni di litio pieghevole
per elettronica portabile
(presentata da Panasonic al CES, 5-8 Gennaio 2017)
http://spectrum.ieee.org
/static/ces2017
http://spectrum.ieee.org
/aerospace/aviation/auto
nomous-air-taxis-will-
take-off-in-2017-but-
wont-go-far
Taxi autonomo aereo (presentato da Airbus al CES, 5-8 Gennaio 2017))
Auto totalmente autonoma per il 2020 (presentata da Audi e
Nvidia al CES, 5-8 Gennaio 2017)) http://spectrum.ieee.org
/static/ces2017
Tecnologia da 10nm in commercio nel 2017 (Intel)
http://wccftech.com/intel
-kaby-lake-q3-2016-
cannonlake-q3-2017/
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
Come sarà l’Elettronica dopo il 2020?
Carbon Nanotubes: primi transistoridomostrati nel 1998 –basso consumo di potenza, maggiore velocità, ma difficoltàdi fabbricazione e bassa affidabilità.
https://en.wikipedia.org/wiki/
Carbon_nanotube
Spintronic: dispositivi che sfruttanolo spin degli elettroni.
http://www-03.ibm.com/ibm/history/ibm100/us/en/icons/spintronics/
computers i cui dispositivi al Si sono sostituitida molecoleorganiche
Molecular Computing:
http://news.bbc.co.uk/2/hi/te
chnology/7085154.stm
Quantum Computing:
Computers cheelaborano Qubit(es. spin degli elettroni), che possono assumere più valori simultaneamentehttp://www.ibm.com
Rotary Club Bologna Sud, 10 Gennaio, 2017 Cecilia Metra
L’Elettronica di Oggi e
Quella che Verrà
Cecilia Metra
DEI - ARCES – University of Bologna