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

[email protected]


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


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


Tecnologia Microelettronica Oggi (cont)

M. Bohr, “14nm Process Technology: Opening New Horizons ”, Intel Developer Forum, 2014

Quanto sono piccoli 14nm?


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).


Come viene Fabbricata l’Elettronica?

La fabbricazione

avviene in camere

bianche.

http://www.intel.com/content/www/us/en/history/museum-making-silicon.html


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


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.


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


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


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.


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


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


Cenni Storici

1947: Bardeen, Brattain & Shockley

(Bell Labs) - invenzione del

Transistor Bipolare.


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


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).


Calcolatori a Confronto

Microprocessore

(1969)


Intel 4004

ENIAC (1946)


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


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…


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?


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…


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.




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




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)


Transistore Planare Transistore Tri-Gate

Courtesy of Intel Corporation Bohr, Mistry, “22nm Details_Presentation”, May 2011

2 fins 3 fins




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




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?


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)


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)


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)


Sul Campo:

Vulnerabilità a guasti

transitori

probabilità di fenomeni

di invecchiamento


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.


“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



South Atlantic Anomaly (SAA)

J. Barth, 1997Courtesy of Dr. Monica Alderighi, INAF (Italy)


Errori dovuti a Protoni nella SAA

Credits: NASA/GSFCCourtesy of Dr. Monica Alderighi, INAF (Italy)


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)


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.


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.


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/


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


L’Elettronica di Oggi e

Quella che Verrà

Cecilia Metra

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[email protected]

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