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La previsible evolución de la Microelectrónica
Esto tecnologio es extraordinariamente complejo y presento uno cierto cantidad de facetas, por lo que verdades poro uno de ellos pueden ser importantes errDres cuando se " aplican o otros. La previsillle evolueión de la Mieroeleetróniea. En el presente artículo se presta en primer lugar atención a lo que podrá ser la situación inmediata de la Microelectrónica, por considerar que es la de mayor interés para nuestro sector industrial, pasando después a analizar aquellos logros tecnológicos que presumible mente serán alcanzados dentro de pocos años. Si bien para este último análisis no es necesario, ni con frecuencia posible, llegar a conclusiones sobre las últimas consecuencias prácticas de estos avances sobre los productos; la situación es totalmente contraria cuando se pretende analizar la evolución inmediata. Por esta razón, antes de abordar estas consideraciones, se presta atención a la actual oferta de circuitos integrados, presentando una clasificación de los mismos. Su autor es JUAN MULET MELlA, actualmente Coordinador de Desarrollo del Centro de Investigación y Estudios de la Compañía Telefónica Nacional de España. INTRODUCCION En sus escasos veinte años de vida, la Microelectrónica ha presentado una continua evolución en cuanto a prestaciones y costos que seguramente no ha tenido precedentes en el mundo industrial. . La conocida ley de Moore para la evolución de la complejidad y la curva de reducción de costos describen esta singular peculiaridad y son consideradas válidas para el próximo futuro. Las figuras 1 y 2 presentan estas evoluciones referidas a la escala óptima de integración a lo largo de los años. Hace algunos años se diseñaba el software alrededor del hardware, mientras que ahora .es éste último el que se odapta o los exigencias del primero. La escala de tiempo aplicable a una evolución tan rápida como la de la Microelectrónica, no puede ser la de otras tecnologías. El intervalo de tiempo que define el corto plazo para una tecnología convencional determinará el largo plazo para la Microelectrónica, pero ello no hace innecesaria esta c;lásica distincióu y en el estudio de su evolución deberán ser considerados ambos aspectos, pues la sola consideración a largo plazo puede ofrecer una imagen propia de Ciencia Ficción al exponer futuros logros que, además de distar considerablemente de los actuales, pueden no dejar evidente una solución de continuidad. ANALISIS PREVIO DEL ACTUAL MERCADO DE LA MICROELECTRONICA Ningún aspecto de la Microelectrónica, y mucho menos el de su futura evolución, puede ser considerado de una forma global. Esta tecnología es extraordinariamente compleja y presenta una cierta cantidad de facetas, por lo que verdades para una de ellas pueden ser importantes errores cuando se aplican a otras. Un método conveniente para realizar un análisis de la Microelectrónica es su consideración desde el punto de vista del mercado que, como en cualquier actividad económica en el mundo occidental, impondrá el principal condicionante. El actual y previsiblemente futuro mercado de la Microelectrónica puede ser seccionado en cuatro grandes áreas, en función de los circuitos que demandan. El primer grupo solicita productos estándar, es decir unos componentes de características bien definidas y conocidas con todo detalle tanto por los fabricantes como por los consumidores. El concepto familiar para cualquier profesional de la Electrónica de compatibilidad "pin-to-pin" define claramente al producto de esta área. Prácticamente todos los componentes activos existentes hace poco más de diez años correspondían a este grupo, después se fueron uniendo las diferentes familias TTL, las C-MOS y ECL, y más recientemente las memorias, microprocesadores y componentes asociados. Un segundo grupo, que actualmente está viéndose incrementado de forma muy rápida, es el que podría llamarse de componentes de aplicación específica y gran serie, denominación sin duda no muy afortunada. En él entrarían aquellos componentes que atienden una necesidad concreta, sentida por una considerable cantidad de usuarios y en cuya solución es necesario un dominio de la Ingeniería del Sistema en el cual pretenden integrarse. Por este motivo los componentes no son compatibles "pin-to-pin", salvo cuando existen acucrdos de segunda fuente. Como es obvio, el punto más importante para el potencial usuario del componente será la adaptabilidad de su Sistema, que será probablemente más considerado a la hora de su elección que su precio o la tecnología utilizada en su realización. El tercer grupo es el formado por los circuitos denominados "custom-design", es decir los concebidos para satisfacer la necesidad de un determinado usuario, que pretenderá, además, ser el único conocedor de sus características para así conceder un carácter de exclusividad a su equipo. Por último, ha nacido recientemente el circuito integrado "semi-custom", también llamado en la literatura "uncommited array". Se trata de circuitos individualizados a nivel de la aplicación mediante ~l exclusivo diseño de su máscara de metalización, que permite la interconexión de forma conveniente para la aplicación de las células elementales que han sido previamente difundidas en la oblea. Se evita con esta solución el diseño y la realización de un cierto número de máscaras y se paga por ello con la no utilización de parte del silicio, ya que se considera un buen resultado de diseño el aprovechamiento del 80 por ciento de la zona difundida. LA INMEDIATA EVOLUCION Como se intuye fácilmente, la evolución, tanto tecnológica como comercial será diferente en cada una de las cuatro áreas definidas, por lo que es necesario separar sus análisis. Esta idea es la que guía los párrafos que siguen. Los productos estándar Este es el verdadero dominio de la producción en grandes cantidades y el más parecido a la oferta clásica de componentes activos. Probablemente por este motivo y por ser el sector cuantitativamente más importante, sus - características son frecuentemente extrapoladas a toda la Microelectrónica. Se trata de un mercado extraordinariamente competitivo, donde se lucha con las cinco armas de la Microelectrónica: el coste, el reducido tamaño, la alta velocidad, la fiabilidad y el reducido consumo de potencia. En este mercado es donde la productividad alcanza su importancia más alta. Por esta razón, las fábricas japonesas que, según datos generalmente aceptados, consiguen productividades entre dos y dos veces y media mayores que las americanas, seguirán consiguiendo sus mayores conquistas de mercado, entrando en ellos gracias a sus menores precios y sin necesidad de una ingeniería de aplicación, ya que todos los diseñadores conocen el modo de usar estos productos. Es evidente que cualquier logro tecnológico que consigue una reducción de costos será bien recibido por este sector del mercado, sin embargo el aumento de la "densidad de empaquetamiento" (número de transistores por circuito) no tendrá un interés por sí mismo. En este sentido se expresaba el Presidente de Intel, Gordon Moore, cuando exponía los retos actuales de los circuitos VLSI (1) y esto mismo queda reflejado en la Gráfica de la Figura 3 donde se representa la generalidad de las aplicaciones de los circuitos integrados en función de su escala de integración (2). Esta generalidad de aplicación es, como ya se ha dicho, la verdadera razón de ser de los productos que componen este sector del mercado. Durante los próximos meses se asistirá a la utilización de las técnicas que supongan logros en cuanto a la densidad de integración para la obtención de memorias de capacidad cada vez mayor así como de microcomputadores y microprocesadores con mayores prestaciones. Estos componentes se beneficiarán de las técnicas denominadas de "2 [J." (es decir, aquellas que consiguen realizar conductores integrados cuya distancia entre sus centros es de 4 p), de "1 il" e incluso menos (submicra), que hoy parecen totalmente posibles. No cabe duda que los circuitos integrados VLSI son y seguirán siendo un camino rápido y seguro de la introducción" , de la Informática de la Sociedad y que los diseñadores demandarán cada día circuitos integrados más complejos para poder concebir y utilizar lenguajes de más alto nivel. En consecuencia, se está asistiendo a un cambio de enfoque ya que hace algunos años se diseñaba el software alrededor del hardware, mientras que ahora es este último el que se adapta a las exigencias del primero. Los productos estándar no informático s serán menos exigentes en cuanto a densidad de integración y en opinión de algunos expertos muchos deben haber alcanzado ya su mayor escala óptima de integración y deberán encontrar su tendencia de evolución en otros terrenos, entre los que se incluyen los dos citados a continuación. Por una parte, es difícil predecir las consecuencias que traerá el famoso programa del Departamento de Defensa de los Estados Unidos, denominado VHSIC (Very High Speed Integrated Circuits)(3), cuya meta es la obtención de circuitos que tengan altas densidades de integración y permitan una elevada frecuencia de reloj. El factor de calidad para estos futuros circuitos se ha establecido en 1013 puertas-Hz/cm2 y su principal aplicación será el proceso digital de señales en aplicaciones en tiempo real, que deberá incluir técnicas de auto-test y de tolerancia a fallos. Por otra parte, sigue siempre la duda sobre los semiconductores que compiten, ciertamente de forma muy débil, con el Silicio. En el momento actual el mejor colocado es el AsGa, cuyas ventajas derivadas de la alta movilidad de sus portadores (seis veces mayor que la del Silicio) han sido detectadas hace ya años. Las difucultades para la producción industrial de circuitos integrados sobre este material vienen precisamente de lo poco evolucionada que está la tecnología de su obtención en forma monocristalina. Las obleas son pequeñas, presentan densidades de defectos cristalográficos dos órdenes de magnitud por"encima de las habituales en el Silicio y la repetibilidad de sus características es todavía un problema. En un inmediato futuro, se espera una progresiva mejora de las prestaciones de las tecnologías actualmente en fabricación (4). Sus límites actuales y tendencias de evolución se han recogido en las Figuras 4 y 5 para la mayoría de las tecnologías actuales, por considerarse un aceptable resumen ante la fmposibilidad de entrar en su estudio detallado, que supondría una contribución de extensión igualo mayor que la presente. Los productos de aplicación específica y gran serie Dentro de este sector del mercado son previsibles dos tendencias bien diferenciadas. Una de ellas, la más espectácular, sigue también una idea de Gordon Moore y compartida por muchos especialistas, entre ellos KIaus D. Bowers, Vicepresidente de los Bell Laboratories (4). Según ella, el límite de la densidad de empaquetamiento está en la imaginación de los diseñadores de Sistemas. Cabe pues pensar que los circuitos VLSI encontrarán sus mayores dimensionamientos cuando incluyan sistemas complejos. El objetivo final de la utilización de una determinada tecnología será conseguir el costo más reducido posible del sistema al que se incorporen, lo que estará frecuentemente reñido con el menor costo del circuito integrado. Así, es posible que el precio de un circuito específico sea mayor que el del conjunto de productos estándar a que sustituye, resultando sin embargo ventajosa su incorporación como consecuencia del ahorro conseguido en placa de circuito impreso, mano de obra de montaje y pruebas y en montaje mecánico. Dentro de esta concepción, cualquier avance tecnológico es aplicable a estos productos, siempre que supongan ventajas en alguna de las que anteriormente se han denominado las armas de la Microelectrónica. La segunda tendencia es la de los circuitos específicos que podrían calificarse de más hábiles. Una solución nacida de un profundo conocimiento de los Sistemas que los ujilizarán podrá competir, como de hecho ocurre actualmente, con circuitos tecnológicamente más avanzados e incluso, en alguna circunstancia, con los más baratos. La actual crisis económica mundial ha hecho que el número de componentes de este grupo se multiplique. Las grandes empresas de Semiconductores, tradicionalmente dedicadas a productos estándar han ofrecido soluciones especialmente adaptadas a los Sistemas de Telecomunicación, al Automovil y a ciertos productos de Electrónica de Consumo, por lo que su evolución tecnológica se acercará más a la de los productos estándar que en el pasado, cuando sólo eran encontrados en los catálogos de empresas de mediana dimensión. Los productos "custom-design" También en este grupo cabe distinguir dos evoluciones. Una de ellas, que sin duda será la menos numerosa, es la de los productos destinados a los grandes consumidores, cuyas cantidades anuales pueden compararse a las consumidas en todo el mundo de los productos del grupo precedente. Su evolución poco diferirá de la descrita en el apartado anterior. La mayoría de los diferentes circuitos de este tipo serán consumidos en cantidades reducidas, que se medirán en decenas de miles. En este caso, el usuario buscará alguna o algunas de las siguientes ventajas: una optimización de su diseño, una buena imagen técnica, un control de la fiabilidad, un control sobre el suministro o un mayor valor añadido al producto, si ha diseñado el circuito integrado. La conocida fórmula de costo CN de N circuitos integrados (5) donde D es el costo del diseño, G el derivado directamente de su puesta en fabricación (máscaras, programas de prueba, etc.), s el coste del proceso conducente a obtener n chips en buenas condiciones, P el costo del encapsualdo, A el de montaje y T el de pruebas, permite aventurar la evolución de la producción de estos circuitos. En ellos, el costo del diseño y puesta en fabricación (D + G) será un sumando muy importante, que se repartirá sobre P")cas decenas de miles de unidades. Se puede colocar entre los cuatro y los once millones de pesetas, dependiendo de su complejidad; es decir, que su repercusión unitaria para 30.000 unidades puede ser desde 134 ptas. hasta 366 ptas. Los demás sumandos serán ya poco relevantes y consecuentemente el debido al proceso propiamente dicho (N ~ ) tendrá poca importancia relativa. n Las mejoras tecnológicas, que actúen sobre el proceso de fabricación, serán de reducido interés al ser comparadas con las que influyan sobre los costos específicos de introducción del nuevo ,producto. Las empresas dedicadas a esta actividad han realizado grandes inversiones para la creación de métodos informático s que faciliten la concepción de estos circuitos integrados, a cuya eficacia ha contribuido la menor exigencia en cuanto a procesos de fabricación para este tipo de productos. Así, el grupo de circuitos integrados de los Bell Laboratories, con gran experiencia en este tipo de productos, asegura que ha mantenido constante el tiempo de diseñador, aún cuando la complejidad de los circuitos ha aumentado 32 veces en estos últimos cinco años. Sin embargo, Intel ha publicado que sus productos, de gran complejidad y pertenecientes al grupo estandar, han exigido un esfuerzo que ha crecido de forma exponencial, duplicándose cada 2,6 años. La seriedad de las dos entidades citadas avala la afirmación recogida al principio de este párrafo. Tradicionalmente, las grandes empresaJ han sido poco propicias a la fabricación de este tipo de circuitos. Actualmente las dificultades son mucho menores debido al dominio conseguido en esta tecnología, que ha hecho posible el diseño fuera de las propias empresas fabricantes. La aparición de grupos de diseño en las compañías fabricantes de equipos, que se incrementarán en los próximos años, permite que, aún para este tipo de productos, las empresas de semi conductores se dediquen a las . actividades propias de su negocio, las relacionadas con el proceso del Silicio, y puedan emplear a sus diseñadores en la concepción de circuitos de amplia difusión, sobre los que repercutirán los costes de diseño. En resumen, puede decirse que la utilización de circuitos "custom-design" se incrementará en los próximos años, aunque sobre ellos perderán una parte del control las empresas tradicionales dedicadas a los semi conductores, ya que, junto a grupos de diseño, los fabricantes de equipos incorporan plantas de proceso adaptadas a sus necesidades. Los productos "semi-custom" Durante estos tres últimos años la oferta de "uncommitted arrays" ha aumentado extraordinariamente y su incremento será mantenido en el futuro. Recientemente se ha asegurado que el mercado de estos circuitos superará, en los Estados Unidos, los 80.000 M. ptas. en el plazo de 5 años. Existen actualmente "arrays" en prácticamente todas las tecnologías y con ellos pueden justificarse económicamente series del. :)rden de varios millares de unidades. Los usuarios de estos integrados son tanto las grandes empresas de Sistemas en sus tentativas iniciales de productos, como las empresas de Sistemas de dimensiones reducidas que buscan la economía y la protección que la Microelectrónica no standard proporciona La previsible evolución de este sector será hacia una mayor complejidad de los arrays, que actualmente supera las 5.000 puertas y la mejora de métodos automáticos de diseño, hoy muy incipientes. LA EVOLUCION A LARGO PLAZO Todo parece indicar que la Microelectrónica seguirá sorprendiendo por algún tiempo con su vertiginosa evolución tecnológica. Sin embargo es probable que el camino que sigan sus costos tenga menor pendiente que en años anteriores. La Microelectrónica se ha convertido definitivamente en una industria intensiva en capital y se espera un incremento entre el 20 y el .25 por ciento anual de la inversión necesaria. Se estima que cuando estén en producción los procesos denominados de "submicra", el capital necesario para instalar un módulo de fabricación de dimensiones mínimas será unas cinco veces al valor del mínimo módulo para la tecnología actual. Los efectos que estos importantes capitales inmovilizados van a tener sobre la típica adaptabilidad de esta industria son difíciles de predecir. Desde un punto de vista estrictamente tecnológico, la evolución esperada en los próximos cinco años, llevará al tiempo de propagación de un circuito puerta desde los 0,5 ns actuales hasta los 100 ps, mientras que el factor de calidad de un circuito puerta (potencia x tiempo de propagación) podrá pasar de un 1 pJ a 50 fJ , (f (femto) = 10-15). Las tecnologías seguirán siendo fundamentalmente las mismas, esperándose una evolución de la H-MOS hacia 1 u de longitud de canal a partir de las 3 J1 actuales. . De esta manera los circuitos integrados MOS superarán las prestaciones en velocidad de la ECL. También parece posible que la H-MOS llegue a alcanzar o superar las características de consumo de las familias actuales 12 L y C-MOS. Se considera también probable la industrialización de una nueva tecnología denominada CH-MOS, por analogía a la H-MOS, para la que se han publicado resultados de Laboratorio, según los cuales se obtienen tiempos de propagación del orden del ns, es decir el de las tecnologías bipolares más rápidas. El gráfico de la Figura 6 muestra un completo resumen de la evolución esperada para la presente década (6), al mismo tiempo que se ha incluido la situación industrial actual. Otros parámetros característicos evolucionarán previsiblemente, como indica la Tabla I. Una predicción a más largo plazo lleva a considerar como posibles las aplicaciones del efecto Josephson y otras derivadas de los efectos de las bajas temperaturas. Mediante el primero se podrá conseguir tiempos de propagación del orden de los 10 ps y un factor de mérito del orden de 1 fJ, mientras que los citados en segundo lugar resultan atractivos para conseguir funcionamientos a bajas tensiones de alimentación (pocas décimas de voltio). También las bajas temperaturas, del orden de los 770 K, convierten al Silicio en un aislante suficientemente bueno como para realizar la función del óxido de silicio en las actuales memorias eléctricamente programables, por lo que no puede descartarse su aprovechamiento en futuras memorias. Dentro de esta misma línea, no pueden olvidarse los circuitos integrados con resolución de décima de micra, ni la utilización dellaser para realizar recocidos localizados y usar 28-BIT la tercera dimensión con toda libertad, como ya ha sido realizado en Laboratorio. También se encuentran referencias al uso de polímeros, como materiales de base, sobre los que se han realizado estructuras MIS. Con todo, parece universalmente aceptado que la limitación tradicional de la Microelectrónica está en la búsqueda de la aplicación. Cuando el concepto de circuito integrado y el de microprocesador fueron establecidos, la Microelectrónica disponía ya de un potencial que fue capaz de ser utilizado para materializar estas ideas y que, según todos los indicios, no encontraron de forma inmediata su campo de aplicación. REFERENCIAS (1) G. MOORE, VLSI: some fundamental challenges. IEEE Spectrum, April1979 pp. 30-37. (2) I.M. MACKINTOSH, A prognosis of the impeding intercontinental. LSI battle. 1978 International SolidState Circuits Conference. (3) D.F. BARBE, VHSIC, Systems and Technology. Computer, February. 1981 pp. 13-22. (4) J. KREILING, Very-Large-Scale integration: Very-LargeScale benefits. Bell Laboratories Record, December 1980 pp. 360-368. (5) D.H. ROBERTS, Microelectronics and its application. GEC Joumal of Science and Technology, 46, 3, 1980. (6) D. BOIS et P. SEN, Les tilieres technologiques de circuits intégrés: evolution et perspectives d"avenir. L"Echo des Recharches, n.O 103, Janvier 1981, pp. 17-24.
30 oct 2015