Evolução dos Circuitos Integrados. Resumo

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1 Evolução dos Circuitos Integrados 1) Alcides Rocha 2) Pedro Mendes Resumo Este trabalho irá abordar a história da evolução dos circuitos integrados, assim como o seu impacto na sociedade, com o objectivo principal de contextualizar o Circuito Integrado no mundo de informação que hoje nos rodeia. A apresentação de ideias é fundamentada em documentação extraída de publicações e artigos de especialistas na matéria, dando especial relevância do enorme salto tecnológico que esta tecnologia nos proporcionou. 1. Introdução A e v o l u ç ã o d o s c i r c u i t o s i n t e g r a d o s e a s s u a s a p l i c a ç õ e s t ê m d a d o um g r a n d e c o n t r i b u t o p a r a o d e s e n v o l vi me n t o d e v á r i o s e q u i p a mentos mo d e r n o s d o u s o q u o t i d i a n o, t a i s c o mo c o mput a d o r e s, a u t o mó v e i s, t e l e v i s õ e s, t e l e f o n e s mó v e i s, e t c. E s t e s e q u i p a me n t o s f o r a m t o mando u m l u ga r c a d a v e z ma i s i mp o r t a n t e n a n o s s a s o c i e d a d e a o l o n go d a s ú l t i mas d é c a d a s, p o i s a s a p l i c a ç õ e s q u e d e r i v a m d a u t i l i za ç ã o d o s C i r c u i t o s I n t e g r a d o s, s ã o c a p a z e s d e p r o c e s s a r g r a n d e s q u a n t i d a d e s d e i n f o r mação n u m r e d u zi d o e s p a ç o d e t e mpo, c o mo n o c a s o d o s mi c r o p r o c e s s a d o r e s, a l go q u e p a r a o c é r e b r o h u ma n o s e r i a i mpossíve l c o n c r e t i z a r mesmo q u e p a r a t a l d e s p e n d e s s e vá r i o s a n o s. E m s e gui d a i r e mos d a r a c o n h e c e r a e vol u ç ã o d a q u e l e q u e é u m d o s e l e mentos e l e c t r ó n i c o q u e mais i mp a c t o c a u s o u a p ó s a s u a i n v e n ç ã o, c r i a n d o a s s i m u ma i n f i n i d a d e d e h o r i zo n t e s t e c n o l ó g i c o s q u e a t é e n t ã o e r a m i mpensáve i s p e l o Ho me m. 1

2 2. Conceito de Circuito Integrado O Circuito Integrado, é u m c i r c u i t o e l e c t r ó n i c o ( o u vá r i o s c i r c u i t o s ) d e n t r o d e u ma ú n i c a p a s t i l h a d e s i l í c i o. E s t e c o mp o n e n t e é o p r i n c i p a l r e s p o n s á v e l p e l a mini a t u r i zação d o s c i r c u i t o s e l e c t r ó n i c o s. D e n t r o d e u m Circuito I n t e gr a d o e x i s t e m e s s e n c i a l ment e t r a n s í s t o r e s, ma s t a mbé m o u t r o s c o mp o n e n t e s t a i s c o mo d í o d o s e r e s i s t ê n c ias. Figura 1 Exemplo de um Circuito Integrado 3. Do transístor ao Circuito Integrado U ma d a s gr a n d e s i n v e n ç õ e s d o s é c u l o X X, o t r a n s í s t o r, f o i u m r e s u l t a d o i n e s p e r a d o d e p e s q u i s a s r e a l i zadas e m r a d a r e s p a r a o s E s t a d o s U n i d o s e Grã - B r e t a n h a d u r a n t e a 2 ª G u e r r a M u n d i a l. O q u e a C o mpa n h i a T e l e f ó n i c a Bell L a b s q u e r i a e m e r a u ma a l t e r n a t i va d e e s t a d o s ó l i d o p a r a a s f r á ge i s, c a r a s e c o n s u mi d o r a s d e p o t ê n c i a s c h a ma d a s v á l v u l a s. A a l t e r n a t i v a f o i e n c o n t r a d a p e l o f í s i c o W i l l i a m S h o c k l e y, e o s s e u s c o l e g a s W a l t e r Br a t t a i n e J o h n B a r d e e n, q u e a t i n gi r a m o s e u o b j e c t i v o d o i s a n o s e me i o mais t a r d e, a 2 3 d e De z e mbro d e c r i a n d o a s s i m o T r a n s í s t o r d e Cont a c t o P o n t u a l. E m , W i l l i a m S h o c k l e y melhora o t r a n s í s t o r d e c o n t a c t o p o n t u a l, p a r a u m c o m c a r a c t e r í s t i c a s e l é c t r i c a s mais e s t á ve i s, q u e o p a t e n t e o u c o mo Transísto r d e J u n ç ã o. 2

3 Figura 2 O primeiro Transístor A i n v e n ç ã o f o i u m g r a n d e s u c e s s o. O t r a n s í s t o r d e j u n ç ã o n ã o e r a a p e n a s ma i s e s t á ve l e c o n f i á ve l q u e s e u a n t e c e s s o r, ma s t a mb é m muito ma i s s i mples e b a r a t o. As p r i meiras a p l icações c o merciais s u r g i r a m e m E m , u m j o ve m e n ge n h e i r o c h a mado J a c k K i l b y f o i t r a b a l h a r p a r a a e mpr e s a T e x a s In s t r u ment s, q u e j á p o s s u í a u ma g r a n d e r e p u t a ç ã o i n o va d o r a. E l e t r a b a l h a v a c o m u ma t é c n i c a d e micro mó d u l o s ( d i s p o s i t i v o s e mpilh a d o s c o mo p r a t o s ) e i ma gi n o u a p o s s i b i l i d a d e d e, a o i n v é s d e e mpilhar o s c o mp o n e n t e s, f a b r i c á -los n o mesmo p e d a ç o d e ma t e r i a l. O p r i meiro p r o t ó t i p o ( F i gur a 3 p a t e n t e a d o e m ) e r a u m o s c i l a d o r d e d e s l o c a me n t o d e f a s e, u m c i r c u i t o s i mples q u e c o n ve r t i a c o r r e n t e c o n t i n u a e m c o r r e n t e a l t e r n a d a. A o i n vé s d e u t i l i zar v á r i o s c o mponentes d i s c r e t o s, f a b r i c o u e n t ã o u ma t i r a f i n a d e ge r mâ n i o c o m q u a t r o t e r mi n a i s d e c o n t a c t o mais o t e r mi n a l d e t e r r a, s e n d o c o mposto p o r u m t r a n s í s t o r, u m c a p a c i t o r e t r ê s r e s i s t o r e s. T o d o o material e r a u n i d o a t r a v é s de c e r a. 3

4 Figura 3 Primeiro Circuito Integrado Oscilador de Deslocamento de fase (Texas Instruments 1959) 4. O aparecimento dos primeiros Circuitos Integrados N o f i n a l d o s a n o s 5 0, o f a b r i c o d o t r a n s í s t o r já e r a u m p r o c e s s o i n d u s t r i a l d e gr a n d e s v o l u mes, u t i l i z a n d o u ma t é c n i c a d e l i t o gr a f i a c o n h e c i d a c o mo p r o c e s s o d e mesa. O p r o c e s s o n o e n t a n t o, t i n h a i n c o n v e n i e n t e s. A me s a e s t a va s u j e i ta t a n t o a c o n t a minação c o mo a c i d e n t e s e e s t e p r o c e s s o n ã o p e r miti a a f a b r i c a ç ã o d e r e s i s t o r e s. F o i e n t ã o q u e J e a n H o e r n i, u m f í s i c o s u í ç o e u m d o s f u n d a d o r e s d a F a i r c h i l d, i n ve n t o u u m p r o c e s s o q u e a o i n vé s d e mo n t a r -se a mesa n o t o p o d o s u b s t r a t o d e s i l í c i o, s i mplesme n t e d i f u n d i a -se n a b a s e, e a s e g u i r o e missor n e s t a, c o b r i n d o o d i s p o s i t i v o c o m u ma c a ma d a p r o t e c t o r a. O r e s u l t a d o f o i o p r o c e s s o p l a n a r, d e mai o r d u r a b i l i d a d e e mu i t o mai s f i á ve l, t í n h a mos e n t ã o o ma r c o q u e t o r n o u p o s s í v e l a p r o d u ç ã o c o mercial d e c i r c u i t o s i n t e gr a d o s. E n q u a n t o i s s o, Robert Noice, t a mbé m d a e mp r e s a F a i r c h i l d, d a va u m p a s s o i mp o r t a n t e n a f o r ma d e i n t e r c o n e c t a r o s mi c r o c o mp o n e n t e s do c i r c u i t o i n t e g r a d o. E l e i n s p i r o u -se n a s t é c n i c a s q u e e mpr e ga v a m d i ó x i d o d e s i l í c i o c o mo b a r r e i r a p a r a a d i f u s ã o d e i mp u r e z a s. Des t a f o r ma, e n q u a n t o o p r o c e s s o d e J a c k K i l b y u t i l i z a va p e q u e n o s f i o s n a s c o n e x õ e s e n t r e o s c o mp o n e n t e s d o c i r c u i t o, o pr o c e s s o d e s e n vol v i d o p o r 4

5 R o b e r t N o yc e e mprega va t i r a s de a l u mí n i o o u o u r o, q u e p o d i a m s e r a p l i c a d a s c o m a aj u da d e máscaras e f o t o l i t o g r a f i a. O p r i meiro c i r c u i t o i n t e g r a d o l ó gi c o f o i a n u n c i a d o e m M a r ç o d e p e l a F a i r c h i l d, e c o n s i s t i a d e u m f l i p -flo p d e d i â metro d e 1, 5 mm ( F i gura ). A p a r e c e u e n t ã o o p r i meiro a mplificador o p e r a c i o n a l e m p a s t i l h a, o μ A 7 0 2, p r oj e c t a d o p o r R o b e r t W i d l a r, f o i u ma p e d r a d e g r a n d e r e l e v â n c i a n a h i s t ó r i a d o s c i r c u i t o s i n t e g r a d o s e u m s u c e s s o c o mercial p a r a a F a i r c h i l d. E l e é c o n s t i t u í d o d e 1 2 t r a n s í s t o r e s e 5 r e s i s t o r e s ( F i g u r a ). Figura 4 - Primeiro Circuito Integrado Planar Flip-Flop (Fairchild 1961) Figura 5 - Primeiro Amplificador Operacional (Fairchild 1964) O μ A d e u o r i ge m a u m d o s mai o r e s s u c e s s o s d a i n d ú s t r i a d e mi c r o e l e c t r ó n i c a, o μ t a mb é m p r o j e ct a d o p o r R o b e r t W i d l a r, t a l ve z o a mplificador o p e r a c i o n a l mai s u t i l i z a d o n a e l e c t r ó n i c a. W i l d l a r f o i p i o n e i r o d o s e c t o r a t é , a t é q u e F a i r c h i l d i n t r o d u zi u o μ A 7 4 1, u ma p a s t i l h a q u e c o n t i n h a s e u s p r ó p r i o s c a p a c i t o r e s. 5. A evolução dos Circuitos Integrados O i n g r e d i e n t e d e s t a r e vol u ç ã o t e c n o l ó g i c a é o r á p i d o a v a n ç o n a q u a l i d a d e e p r o c e s s a me n t o d e materiais, d i s p o s i t i vos e c i r c u i t o s, e m e s c a l a d e i n t e gr a ç ã o c a d a v e z mai o r. C o mo e x e mp l o, t e m -s e a e vol u ç ã o 5

6 d o s mi c r o p r o c e s s a d o r e s q u e e m e r a m c o n s t i t u í d o s p o r t r a n s í s t o r e s ( In t e l ) e e m p o r d e t r a n s í s t o r e s ( P e n t i u m 4, d a Intel). A q u a n t i d a d e d e c o mp o n e n t e s no c i r c u i t o i n t e g r a d o d o b r a va a c a d a d o i s a n o s, a p r o x i mada me n t e, c o n f o r me c o n s t a t o u Gor d o n M o o r e, o c u s t o d e u m c h i p p e r maneceu q u a s e i n a l t e r a d o, a maior d e n s i d a d e d o s c o mp o n e n t e s, d e u o r i g e m a ma i o r d e s e mpe n h o, me n o r d i me n s ã o d a s máquinas c o mput o r i zada s, e a u mento d a f l e x i b i l i d a d e de i n t e r l i g a ç õ e s e m c i r c u i t o s i n t e g r a d o s, a u me n t a n d o a s s i m a fiabilida d e, ( L e i d e M o o r e : c a p a c i d a d e d o b r a a c a d a 1 8 meses). A f i gur a 5 a p r e s e n t a u m g r á f i c o i l u s t r a t i v o d a e vol u ç ã o d o s c i r c u i t o s i n t e gr a d o s, d e s d e o f i n a l d a d é c a d a d e 5 0 a t é a o s d i a s d e h o j e. Fig. 5 - Número de transístores por circuito integrado com o avanço da tecnologia (Lei de Moore) A p r i n c i p a l t e c n o l o g i a d e f a b r i c o d o s c i r c u i t o s i n t e gr a d o s r e s p o n s á ve l p o r e s t a r e v o l u ç ã o é a t e c n o l o gi a CMOS ( C o mp l e me n t a r y M e t a l -O x i d e -S e mi c o n d u c t o r ), c o n s t i t u í d a p o r t r a n s í s t o r e s d e e f e i t o d e c a mp o t i p o M e t a l -Ó x i d o -Se micondutor ( M OS F E T - M e t a l -O x i d e - S e mi c o n d u c t o r F i e l d E f f e c t T r a n s i s t o r ) c a n a l N ( NM O S F E T ) e c a n a l P ( P M O S F E T ). 6

7 C o m a e v o l u ç ã o p a r a c o mponentes d e l a r g a e s c a l a d e i n t e g r a ç ã o ( L S I) n o s a n o s o i t e n t a, e a muito l a r ga e s c a l a d e i n t e g r a ç ã o ( V L S I) n o s a n o s n o v e n t a, vi e r a m o s microproc e s s a d o r e s d e a l t a ve l o c i d a d e. E s t a mos a i n d a a a s s i s t i r a u m p r o g r e s s o c o n t í n u o n a e v o l u ç ã o d e s t e s c i r c u i t o s, e n f r e n t a n d o a c t u a l me n t e u ma n o v a r e a l i d a d e p a r a a q u a l o f a b r i c o d e n o v o s Circuitos In t e gr a d o s e s t á a c o n v e r gi r, c h a mada N a n o t e c n o l o g i a. N e s t a n o v a e r a t e c n o l ó g i c a, o s c o mp o n e n t e s e l e c t r ó n i c o s c o mportam-se d e f o r ma d i f e r e n t e d o q u e n a e l e c t r ó n i c a c o n ve n c i o n a l e n a mi c r o e l e t r ó n i c a, p o i s n e s t e s a p a s s a g e m d e c o r r e n t e e l é c t r i c a p r a t i c a mente n ã o a l t e r a o s e u e s t a d o d e f u n c i o n a me n t o. O p r i n c í p i o b á s i c o d a n a n o t e c n o l o g i a é a c o n s t r u ç ã o d e e s t r u t u r a s e n o vo s materiais a p a r t i r d o s á t o mo, o q u e r e s u l t a n a c o n s t r u ç ã o d e c i r c u i t o s c o m d i me n s õ e s c a d a ve z ma i s r e d u zi d a s ( e s c a l a d e 1 ma n ó metro, q u e e q u i va l e a metros), e l e v a n d o a s s i m a e s c a l a d e i n t e g r a ç ã o d o s c o mponentes p a r a u m p a t a mar s u p e r i o r. A e s c a l a d e i n t e g r a ç ã o d e u m c i r c u i t o i n t e g r a d o e s t á d i v i d i d a e m 4 gr u p o s p r i n c i p a i s, o s q u a i s s ã o r e f e r i d o s d e s e g u i d a. E s t a e x p o s i ç ã o t e m c o mo o b j e c t i vo r e a l ç a r o p r o c e s s o e v o l u t i v o d e s t e t i p o d e c i r c u i t o s, a s s i m como a s a p l i c a ç õ e s mais c o muns d o s mesmos : S S I ( S m a l l S c a l e I n t e g r a t i o n ) Integração e m p e q u e n a e s c a l a : S ã o o s C i r c u i t o s Integrados c o m me n o s c o mponentes, e o s p r i meiros d a h i s t ó r i a. P o d e m d i s p o r d e a t é 3 0 d i s p o s i t i v o s p o r p a s t i l h a ( c h i p ). M S I ( M e d i u m S c a l e I n t e g r a t i o n ) In t e g r a ç ã o e m mé d i a e s c a l a : C o r r e s p o n d e a o s C i r c u i t o s I n t e gr a d o s c o m v á r i a s c e n t e n a s d e c o mpon e n t e s, p o d e n d o p o s s u i r d e 3 0 a d i s p o s i t i v o s p o r p a s t i l h a E s t e s c i r c u i t o s i n c l u e m d e s c o d i f i c a d o r e s, c o n t a d o r e s, e t c. L S I ( L a r g e S c a l e I n t e g r a t i o n ) In t e g r a ç ã o e m l a r g a e s c a l a : C o n t é m mi l h a r e s d e c o mponentes p o d e n d o p o s s u i r d e a t é d i s p o s i t i v o s p o r p a s t i l h a. E s t e s c i r c u i t o s n o r mal mente e f e c t u a m f u n ç õ e s l ó g i c a s c o mplexas, t a i s c o mo t o d a a p a r t e a r i t mética d u ma c a l c u l a d o r a, u m r e l ó gi o d i g i t a l, e t c. 7

8 V L S I ( Ve r y Lar g e S c a l e I n t e g r a t i o n ) In t e gr a ç ã o e m muito l a r g a e s c a l a : É o g r u p o d e C i r c u i t o s Integrados c o m u m n ú mero d e c o mponentes c o mpreendido e n t r e e 1 0 milhões d e d i s p o s i t i vos p o r p a s t i l h a. E s t e s c i r c u i t o s s ã o u t i l i za d o s n a i mpl e mentação d e mi c r o p r o c e s s a d o r e s, q u e s ã o o c é r e b r o n o s c o mputadores u t i l i za d o s h o j e e m dia. 6. Conclusão Ao l o n go d a s ú l t i mas c i n c o d é c a d a s, a e v o l u ç ã o d o s c i r c u i t o s i n t e g r a d o s c o n t r i b u i u p a r a a r e d u ç ã o d o s t a manhos e a u me n t o d a s c a p a c i d a d e s q u a s e t o d a s a s má q u i n a s q u e n o s r o d e i a m, é e vi d e n t e e x e mplo d i s s o a e v o l u ç ã o d o s c o mp u t a d o r e s q u e i n i c i a l mente c h e g a va m a p e s a r c e n t e n a s d e q u i l o gr a mas, t e n d o o s c i r c u i t o s d e l a r g a e s c a l a r e d u zi d o e s t e s a p e q u e n o s P C p o r t á t e i s e p e r f e i t a me n t e mó v e i s, c o m v a s t a s c a p a c i d a d e s d e p r o c e s s a ment o q u a n d o c o mparadas c o m o s d o s g r a n d e s c o mputadores do iníci o d a d é c a d a d e c i n q u e n t a. É t a mbé m n o t ó r i o a i n t e gr a ç ã o d e v á r i a s s o l u ç õ e s n u m só e q u i p a me n t o t a l c o mo t e l e mó v e i s, q u e i n c o r p o r a m d e s d e r á d i o s, c â ma r a f o t o gr á f i c a, G P S, o u c o mo n o s a u t o móvei s a c t u a i s, o n d e e x i s t e u ma u n i d a d e c e n t r a l d e p r o c e s s a mento ( c e n t r a l i n a ) c a p a z d e c o n t r o l a r t o d o u m s i s t e ma c o m o o b j e c t i vo d e o t o r n a r ma i s e f i c a z a ge s t ã o d e r e c u r s o s e l é c t r i c o s, mecânicos, o u e l e c t r o mecânicos. A i mportância d a i n t e g r a ç ã o e s t á n o b a i x o c u s t o e a l t o d e s e mpe n h o, a l é m d o t a manho r e d u z i d o d o s c i r c u i t o s a l i a d o à a l t a c o n f i a b i l i d a d e e e s t a b i l i d a d e d e f u n c i o n a ment o. U ma v e z q u e o s c o mponentes s ã o f o r mados a o i n vé s d e s e r e m mo n t a d o s, a r e s i s t ê n c i a me c â n i c a d e s t e s p e r mi t i u mo n t a ge n s c a d a v e z mai s r o b u s t a s a c h o q u e s e i mpact o s mecânicos, p e r mitindo a c o n c e p ç ã o d e p o r t a b i l i d a d e d o s d i s p o s i t i v o s e l e c t r ó n i c o s. P o d e mo s c o n c l u i r q u e e s t a r e v o l u ç ã o t e c n o l ó gi c a q u e t e mos v i n d o a a s s i s t i r n a s ú l t i mas d é c a d a s, p r o vo c a d a p e l a i n v e n ç ã o d o s c i r c u i t o s i n t e g r a d o s, é d e f a c t o e x t r a o r d i n á r i a e c r i o u u m i mpa c t o i n e gá v e l n o q u o t i d i a n o d a s o c i e d a d e e n a f o r ma q u e a s p e s s o a s i n t e r a g e m entre si. 8

9 7. Referências Bibliográficas Kilby, J. (Patente U.S ). Martino, João António, Por Dentro do Circuito Integrado, Universidade de São Paulo, 2006 Moore, G. E., Technical Digest International Electron Devices Meeting, 1995 Martino, J. A., Proposta de uma sequência simples de fabricação de circuitos integrados digitais NMOS com carga em depleção e porta de silício policristalino, Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da USP, Martino, J. A., Um processo CMOS de cavidade dupla para comprimentos de porta de 2 μm. Tese de Doutorado, Escola Politécnica da USP, Pavanello, M. A., Martino, J. A., Simoen, E., Rooyackers, R., Collaert, N. e Claeys, C.; Low Temperature Analog Operation of Triple Gate FinFETs with HfO2 Dielectrics and TiN Gate Material", IEEE International SOI Conference, 2006 Wikipédia - 9