Fundamentos de Fabricação de Circuitos Integrados

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1 Fundamentos de Fabricação de Circuitos Integrados Prof. Acácio Luiz Siarkowski 1

2 Objetivos: Contextualizar historicamente a evolução dos computadores e seus componentes mecânicos, eletromecânicos e eletrônicos. Visão geral do início da Fabricação de Circuitos Integrados Entendermos como chegamos na tecnologia e integração dos dias de hoje. 2

3 Histórico: Evolução do computador Fase manual (pré-história) 3000 AC - Ábaco (Médio-Oriente) - Fenícios Eficiência nas 4 operações básicas. 3

4 2500 AC - Swan-Pan (Oriente) - Chineses Tabuleiro aritmético Bastões de John Napier (Escócia) Cilindros rotativos de madeira Réguas de Cálculo - Willian Oughtred Baseado nas tabelas de multiplicação de Napier Idéia da 1 a Calculadora (Inglaterra) Relógio calculador usando rodas dentadas 4

5 Régua de cálculo 5

6 Geração Zero Computadores Mecânicos ( ) 1642 / 44- Pascaline (França) Blaise Pascal construiu uma máquina de calcular totalmente mecânica com apenas as operações de soma e subtração. 6

7 Stepped Reckoner Gottfried Von Leibniz construiu uma máquina de calcular inteiramente mecânica com as 4 operações: soma, subtração, multiplicação e divisão a Concepção do cartão perfurado Tábua de madeira com orifícios para comandar as agulhas de um tear o conceito de armazenar a informação binária Jacquard (França) através de placas perfuradas. 7

8 1820 ARITHOMETER (França) Primeira calculadora comercial (aperfeiçoamento da idéia de Leibnitz) Máquina Diferencial - Charles Babbage - Pai do Computador (Inglaterra) 8

9 Máquina Analítica - Charles Babbage (Inglaterra) Máquina analítica que possua 4 componentes: armazenamento (memória), engenho (unidade de cálculo), seção de entrada (leitora de cartões perfurados) e seção de saída (saída perfurada e impressa). Não chegou a ser construída, mas suas idéias são usadas até hoje (processamento digital). 9

10 Álgebra Booleana - George Boole Conceitos usados atualmente como base dos sistemas digitais e da computação Máquina Analógica - Lorde Kelvin Usado na previsão de marés 10

11 Digital X Analógico Analógico: Infinidade de estados possíveis Digital: desligado. Apenas dois estados possíveis : ligado ou Depois chamados de níveis lógicos (0 e 1). 11

12 a Calculadora mecânica - Willian Seward Borroghs Tabuladora - Máquina de Hollerith Herman Hollerith A máquina lia cartões perfurados no código BCD ( Binary Coded Decimal ) 12

13 Tabulating Machine Company A IBM que inicia sua operação, fabricando cartões perfurados. 13

14 Alfabeto em código ASCII 14

15 Alimentador automático de cartões perfurados Válvula de Fleming (Diodo) Válvula (triodo) - Lee de Forest Antecessora do Transistor 15

16 Válvula usada atualmente: 16

17 Uma nova Matéria prima - Manson Benedicks Germânio (material semicondutor) RUR - Karel Câpek Surge a idéia dos robôs Criação da Bell Labs Criação do CRT - Tubo de raios catódicos Tela de TV e monitor usado atualmente Computador Analógico Mecânico Vannevar Bush e uma equipe do MIT (Massachussets Institute of Technology) 17

18 Teoria da Máquina Universal / Z1 Máquina de relés Álgebra de Boole X Circuitos eletrônicos Hewlett-Packard (HP) Formação da HP (Califórnia / EUA) Complex Number Calculator - George Stibitz Primeira calculadora eletro-mecânica (a base de relés) Rede de Teleprocessamento - George Stibitz Interligação de máquinas 18

19 Z3 - Computador eletro-mecânico - Konrad Zuse (Berlim / Alemanha) ABC (Atanasoft-Berry Computer) 450 válvulas e memória magnética Computador digital Colossus - 1 o computador eletrônico digital (na verdade o 2 o ) Alan Turing cria o Colossus, máquina que, uma vez plugada, programada e alimentada, resolvia qualquer questão de criptografia em poucos minutos. 19

20 Mark I (Harvard / IBM) - 1 o Computador Americano de uso Geral - Eletro-mecânico rodas e 1400 chaves rotatórias km de fios - Os dados eram transmitidos eletricamente - 5 ton. de cartões perfurados 20

21 BUG. BUG??? Bug é a palavra em inglês que significa mariposa. Ela é usada em computação como significado de erro, falha, problema. Conta a história que uma mariposa conseguiu entrar num Mark II e travou todo o sistema. Daí a sua utilização ão. 21

22 Primeira Geração de Computadores Modernos Eletrônica à Válvulas Possuía válvulas; Longo tempo de processamento (segundos); Memória de núcleos magnéticos ou cartões perfurados Enormes com alto gasto de energia Difícil manutenção 22

23 ENIAC - (Electrical Numerical Integrator and Calculator) (1o Grande computador eletrônico) Custo: 1/2 milhão de dólares válvulas relés 30 toneladas, 175 kw de consumo Aplicação: cálculo Balístico (atividades de guerra) Marca o ANO ZERO da era da Informação. 23

24 ENIAC - (Electrical Numerical Integrator and Calculator) (1o Grande computador eletrônico) 24

25 ENIAC - (Electrical Numerical Integrator and Calculator) (1o Grande computador eletrônico) Como funcionava o ENIAC? A programação do ENIAC acontecia no lado de fora. Primeiro, um grupo de cientistas desenvolvia equações matemáticas ticas na exata seqüência em que elas tinham que ser digeridas pelo sistema. A seguir, seis especialistas programavam o computador para executá-las las, girando botões de sintonia e plugando centenas de fios nas tomadas corretas. 25

26 1947-1o. Transistor (Bell Labs) Substituto das válvulas (mas ainda em testes) John Bardeen Walter Brattain William Shockley 26

27 Primeiro protótipo de computador eletrônico de programa armazenado Executava rotinas gravadas EDSAC / EDVAC - 1o. Computador de programa armazenado Capacidade de armazenamento 100x maior Mauchly and Eckert Computer Corp., depois UNIVAC, depois Unisys. 27

28 WHIRLWIND (MIT / EUA - 1o. Computador de tempo Real) Processamento em tempo Real UNIVAC Primeiro computador disponível comercialmente Programa armazenado e compilador 5000 válvulas entrada de dados por fita magnética armazenamento por fita ou tambores magnéticos Seguia a arquitetura proposta por John Von Neumann 28

29 IBM 701 Primeiro computador digital da IBM Válvulas e catões perfurados para a entrada e saída de dados Arquitetura John Von Neumann (EUA) Conceito de programação e operações no sistema binário Máquinas atuais = Máquinas seguenciais de Von Neumann 29

30 Máquina de Von Neumann MEMÓRIA UNIDADE DE CONTROLE ULA ENTRADA SAÍDA Conceito de programa armazenado = MEMÓRIAS 30

31 Segunda Geração de Computadores Modernos Eletrônica à Transistores Possuía transistores Unidades de fitas magnéticas Tamanho reduzido Consumo menor de energia Processadores mais rápidos e confiáveis Tempo de processamento mais curtos (mili e micro seg.) 31

32 Computadores científicos Série de computadores para uso científico Fortran (IBM) Primeira linguagem de programação de alto nível NCR 304 (NCR Corp.) 1o. Computador construído somente com transistores IBM 305 com leitor de disquetes Fundação de Digital Equipment Corp PDP-1 (DEC) 1o. Minicomputador Custava US$ Foram vendidas 50 máquinas 32

33 Borroughs B 205 (Brasil) 1o. Computador digital à válvula da América Latina Presidente JK inaugurou na PUC-RJ 20 m 2 e 5ton Percepton Início do conceito de inteligência artificial COBOL (1a. Linguagem de uso comercial) 33

34 Primero CI (Fairchild Corp.) IBM 1401 Máquina comercial de pequeno porte muito popular na época. 34

35 Software de música / primeiro videogame / IBM 7094 Música sintetizada (início da digitalização do som) Primeiro Videogame: Spacewar IBM 7094: Totalmente transistorizado o. uso confiável de monitores de vídeo / Padrão ANSI O ANSI (American National Standarts Institute) aceita o código ASCII como padrão de troca de informações entre computadores Mouse / Basic / CDC o. Computador comercial Mouse: Dispositivo que simula o movimento da mão Desenvolvimento do BASIC CDC 6600: 1o. Computador a realizar operações em paralelo 35

36 Terceira Geração de Computadores Eletrônica com CIs) Possuía CIs Tamanho mais reduzido ainda. Consumo de energia bem baixo. Processadores ainda mais rápidos e confiáveis. Tempo de processamento mais curtos (nano seg.) Evolução do programa-monitor para Sistema Operacional Multiprogramação Multiprocessamento Teleprocessamento (redes de comunicação). 36

37 Transistores no chip: Fabricação de CIs: 37

38 Processos de fabricação 38

39 IBM 360 / PDP 8 (DEC) Família de computadores para o consumidor PDP 8: primeiro minicomputador vendido em massa (50000) a. Calculadora de 4 operações os. Computadores com CIs Lançados pela Borroughs (B2500 e B3500) Robert Noyce, Andy Grove e Gordon Moore estabeleceram a INTEL Corp. Gordon Moore 39

40 Arpanet - Início da revolução da Informação Conexão das máquinas da Arpanet (origem da Internet) Interligação de universidades americanas UNIX / Disco Magnético Flexível 8 / PDP 11 UNIX desenvolvido pela Bell Labs (1o. Sistema operacional que poderia ser aplicado em qualquer máquina) PDP 11 dominou os anos

41 Computadores dos anos 60 a

42 Quarta Geração de Computadores 1971 Era VLSI (Very Large Scale Integration) Desenvolvimento dos CIs Redução das dimensões e no consumo de energia. Processadores ainda mais rápidos Evolução geral de todas as partes integrantes do computadores. 42

43 INTEL 4004 Primeiro processador disponível comercialmente MITS 816 (Micro Instrumentation and Telemetry Systems) 1o. Microcomputador disponível para uso pessoal Patinho Feio (USP) Xerox PARC Primeiro microcomputador completo com monitor Disco Rígido (Alan Shugart) INTEL 8080 Primeiro processador integrado (única pastilha) 43

44 Cray I (1o. supercomputador) 44

45 1975- ALTAIR / IBM 5100 / BASIC ALTAIR 8800: produzido em massa IBM 5100: Primeiro PC da IBM Bill Gates e Paul Allen desenvolveram a primeira linguagem BASIC para microcomputadores Apple Corp Apple II / Atari / Commodore Fundação da Microsoft VAX (DEC) 1o. Supermini de 32 bits. 45

46 IBM PC (arquitetura aberta) Processador INTEL 8088 Sistema Operacional DOS O padrão IBM PC é usado até hoje! Descoberta a tecnologia dos CDs Lisa (Apple)/ Arpanet Lisa: Primeiro computador gráfico (simulava uma mesa de trabalho desktop ) Uma nova Arpanet (sem fins militares), depois chamada de INTERNET PC-AT (IBM) / CD-ROM (Sony/Philips) IBM PC-AT: problemas com os clones 46

47 Macintosh (Apple) x IBM PC 47

48 Compaq PS/2 IBM Processador INTEL Novo padrão de mercado da IBM Compaq Uso diversificado do INTEL 486 Vários fabricantes de PCs apresentam máquinas baseadas no INTEL Acesso à Internet / Windows 3.0 (MS) Usuários individuais têm acesso à Internet MS Windows 3.0 baseado no sistema do Macintosh 48

49 1990- Lançamentos de modelos RISC LINUX Sistema operacional para qualquer tipo de PC e distribuído gratuitamente Lançamento da linha de processadores Pentium da INTEL Comércio via Internet 2000 s Evolução dos processadores: Processadores Intel Centrino (Integração com WiFi para Laptops) Processadores Intel Core 2 Duo Processadores intel Xeon série s 7000 (quad core) Processador Intel Core 2 Extreme (quad core) 49

50 Quinta Geração de Computadores??? Ainda não definida??? Computadores inteligentes (aprendem com seu erros) Computadores ópticos (Luz Vs. Eletricidade) Computadores Quânticos (vários estados possíveis de armazenamento de informações)??? 50

51 O cérebro c humano, de um ponto de vista estritamente funcional, pode ser definido como um sistema complexo de 100 bilhões de neurônios. Para conter o mesmo número n de elementos do cérebroc rebro, um computador dos anos 40, a fase das válvulasv lvulas, teria o tamanho de São Paulo. Em fins dos anos 50, com os transistores, bastava um computador com as dimensões do Cristo Redentor. Anos 60: o computador seria como um ônibus. Atualmente, com a aglomeração de alguns milhões de componentes num único chip, cérebro e computador entraram num acordo de dimensões. 51

52 Integração 256M 1G Ano M 16M 64M K 256K 1M ,5 2 1,5 1 0,5 0 Dimensão (µm) 52

53 Tera T Giga G Mega M Kilo k Deca D Deci ,1 d Centi ,01 c Mili ,001 m Micro , μ Nano , n Pico UniSant'Anna - fevereiro 0, de Página 53 p

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55 Microprocessador Dimensões Freqüência 386 3μm MHz ,8μm MHz Pentium I,MMXI MMX, etc 0,3μm MHz PentiumII 0,25μm MHz PentiumIII 0,18μm MHz Pentium IV 0,13μm 1,4-2,8 2,8GHz Intel Core 2 Duo 0,045μm 3,3GHz Intel Core 2 Quad: 4 núcleos de processamento Intel Core 2 Duo : 2 núcleos de processamento 55