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SEMICONDUTORES CHIPS ■ ELETRÔNICA ■ TRANSISTORES ■ CIRCUITOS INTEGRADOS ■ INDÚSTRIA DE TECNOLOGIA ■ ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

CONTEÚDO

RICHARD

CONHEÇA OUTROS TÍTULOS SOBRE ENGENHARIA E MATERIAIS

Prefácio Introdução 1. Noções básicas de semicondutores 2. Blocos de construção de circuitos

O que você vai encontrar: • Carga elétrica, eletricidade e fundamentos da física • O que são semicondutores • Cadeia de valor e decisões de projeto em semicondutores • Transistores e blocos básicos de circuitos • Desenvolvimento de chips, do conceito ao tapeout • Fabricação de wafers e processos produtivos • Encapsulamento de circuitos integrados e integridade de sinais e energia • Circuitos e componentes de sistemas eletrônicos • Tecnologias de RF e comunicação sem fio • Arquitetura e integração de sistemas • História, desafios e tendências da indústria de semicondutores • O futuro dos semicondutores e dos sistemas eletrônicos

3. Construindo um sistema

“Semicondutores: um guia técnico para não técnicos preenche uma lacuna essencial ao explicar, com clareza e profundidade, uma das tecnologias mais importantes do mundo moderno. Um guia acessível e indispensável para profissionais, estudantes e qualquer pessoa que queira compreender a base da era digital.”

4. Fabricação de semicondutores 5. Integrando o sistema 6. Circuitos comuns e componentes de sistemas 7. RF e tecnologias sem fio

— Brian Santo – Aspencore Global Managing Editor, EETimes Editor-in-Chief

8. Arquitetura do sistema e integração 9. A indústria de semicondutores – passado,

COREY RICHARD Lidera as áreas de Executive Search e recrutamento de desenvolvedores na SignalFire, apoiando startups de tecnologia na contratação de talentos. Atuou por quatro anos na engenharia de silício da Apple e possui MBA pela Wharton School.

SEMICONDUTORES

Semicondutores: um guia técnico para não técnicos oferece uma introdução clara e abrangente do universo dos semicondutores. Com mais de 100 diagramas e ilustrações, explica conceitos fundamentais de eletricidade, projeto e fabricação de chips, conectando a física dos transistores aos dispositivos que usamos diariamente. Com linguagem acessível, exemplos do mundo real e analogias que facilitam a compreensão de temas complexos, o livro é uma referência valiosa tanto para profissionais de tecnologia quanto para leitores curiosos que desejam entender como a era digital está se desenvolvendo.

presente e futuro 10. O futuro dos semicondutores e dos sistemas

eletrônicos Glossário Índice remissivo

Semicondutores Um guia técnico para não técnicos COREY RICHARD

Saiba mais sobre o livro

Capa Springer - RICHARD_Entendendo semicondutores 16x23.indd Todas as páginas

20/07/2026 11:42

Semicondutores

Um guia técnico para não técnicos

Corey Richard

Semicondutores: um guia técnico para não técnicos © 2026 Corey Richard Editora Edgard Blücher Ltda. First published in English under the title Understanding Semiconductors: A Technical Guide for Non-Technical People, by Corey Richard, 1st edition. Copyright © Corey Richard 2023* This edition has been translated and published under licence from APress Media, LLC APress Media, LLC takes no responsibility and shall not be made liable for the accuracy of the translation. Publisher Edgard Blücher Editor Eduardo Blücher Coordenação editorial Rafael Fulanetti Coordenação de produção Ana Cristina Garcia Produção editorial Juliana Midori Horie Diagramação Guilherme Salvador Revisão de texto Equipe editorial Capa Juliana Midori Horie Imagem da capa iStockphoto

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Heytor Diniz Teixeira, CRB-8/10570 Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4 o andar 04531-934 – São Paulo – SP – Brasil Tel.: 55 11 3078-5366 contato@blucher.com.br

www.blucher.com.br Segundo o Novo Acordo Ortográfico, conforme 6. ed. do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa, Academia Brasileira de Letras, julho de 2021. É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer meios sem autorização escrita da editora. Todos os direitos reservados pela Editora Edgard Blücher Ltda.

Richard, Corey Semicondutores : um guia técnico para não técnicos / Corey Richard. – São Paulo : Blucher, 2026. 278 p. Bibliografia ISBN 978-85-212-3350-3 (Impresso) ISBN 978-85-212-3348-0 (Eletrônico – Epub) ISBN 978-85-212-3346-6 (Eletrônico – PDF) 1. Engenharia elétrica – Semicondutores. 2. Circuitos integrados. 3. Fabricação de semicondutores. 4. Indústria de semicondutores. I. Título. Índice para catálogo sistemático: 1. Engenharia elétrica – Semicondutores

CDU 621.3

Sobre o autor

Corey Richard ajuda a liderar a prática de recrutamento executivo e de Desenvolvedores na SignalFire, um fundo de capital de risco de US$ 2 bilhões com sede em São Francisco, com investimentos de destaque em Grammarly, Uber, Ro e Color Genomics. Ele dá suporte a mais de 150 startups em estágios seed e de crescimento, ajudando fundadores a atrair e contratar talentos-chave em Engenharia, Produto e GTM. Antes de ingressar na SignalFire, Corey apoiou o Grupo de Engenharia de silício da Apple por quatro anos, período em que estruturou organizações de engenharia de próxima geração em todas as vertentes do projeto de silício – atendendo tanto as organizações de design analógico/de sinais mistos (AMS) quanto de encapsulamento de CI. Antes da Apple, atuou como consultor para um amplo conjunto de gigantes em tecnologia de hardware, incluindo Harman International, Cirrus Logic e Xilinx FPGA. Corey concluiu seu MBA em Desenvolvimento Organizacional e Empreendedorismo na Wharton School of Business da Universidade da Pensilvânia e foi orador da turma na graduação da SDSU, onde estudou finanças, sustentabilidade e psicologia organizacional.

Sobre o revisor técnico

Brian Trotter é CEO e fundador da Bishop Rock, uma consultoria de pesquisa técnica e propriedade intelectual (PI) com sede em Austin. Antes de fundar a Bishop Rock, ele passou 10 anos na Maxim Integrated, ascendendo ao cargo de Diretor Executivo de Projeto de CI, onde liderou equipes de projeto no desenvolvimento de processadores de áudio de ponta. Brian também passou 13 anos na Cirrus Logic como engenheiro de projeto digital, especializado em implementação RTL, síntese, layout e depuração para conversores analógico-digitais e digital-analógicos avançados. Brian detém 12 patentes dos EUA nas áreas de projeto de conversores, modulação delta-sigma e interfaces digitais. Ele tem publicações no IEEE e na Audio Engineering Society (AES) e é Agente de Patentes Registrado no United States Patent and Trademark Office (USPTO). Obteve o bacharelado em Engenharia Elétrica pela Columbia University e o mestrado em Engenharia Elétrica pela University of Texas em Austin.

Agradecimentos

Tenho que começar agradecendo ao meu antigo chefe e mentor, Bob Liebesman, que me deu a primeira chance na indústria de recrutamento e passou incontáveis horas, com enorme dedicação, me ensinando em detalhes os meandros da tecnologia de semicondutores. Percorremos um longo caminho desde aquelas longas tardes perto da Opal St., em Pacific Beach. Meus três anos com você e o Troy na BSI abriram portas que mudaram minha vida de maneiras profundamente positivas. Muito obrigado pela orientação e amizade. Gostaria de agradecer a Hina Azam, Charlie Zhai, Reggie Cabael, Martin Thrasher, John Griego e as equipes de Packaging & SIPI e de Recrutamento de Tecnologia de Hardware da Apple. Obrigado por me darem a oportunidade de trabalhar com um grupo de pessoas tão motivado e por me desafiarem todos os dias, durante quatro anos, a aprender e melhorar. Obrigado aos muitos colaboradores que tornaram este projeto possível, incluindo o Prof. Jan Van Der Spiegel, que ajudou a validar o conteúdo técnico, e Craig Heller, que ajudou a revisar o estilo e a elaborar propostas para editoras, só para citar alguns. Um muito obrigado também ao autor do meu prefácio, Brian Santo. Sua disposição em ajudar um completo desconhecido em seu projeto pessoal foi um comovente ato de altruísmo. Agradeço de coração seu tempo e generosidade. Um agradecimento especial ao meu revisor técnico, Brian Trotter. Você leu Semicondutores: um guia técnico para não técnicos quase tantas vezes quanto eu agora, e isso não é pouca coisa. Agradeço muito a atenção aos detalhes e o brilho que sua perspectiva em campo acrescentou a cada capítulo. Um grande abraço à minha família e aos educadores da minha vida, incluindo meus pais Rhonda e Glen, minha irmã Eliza e meus avós Arnold, Janice, Hal, Elaine e Howie. O apoio e o exemplo de vocês me inspiraram a ajudar outras pessoas a crescerem também. Amo todos vocês até a lua e de volta.

Prefácio

Ao longo de toda a minha carreira, majoritariamente como jornalista (com passagens por uma empresa de análise e por uma agência de relações públicas), escrevi exclusivamente sobre tecnologia de semicondutores e a indústria de eletrônicos. Conheci muitas pessoas que poderiam ter se beneficiado por terem lido algo como este livro – se ao menos ele tivesse existido. Na verdade, eu poderia usar este livro. Sou uma pessoa não técnica. A indústria de semicondutores é hoje um dos maiores e mais valiosos negócios do mundo. Além disso, a tecnologia de semicondutores é a força motriz por trás dos avanços em um número crescente de outras indústrias gigantescas, desde a fabricação automotiva até serviços financeiros e medicina. A diferenciação de produtos depende em grande parte da tecnologia de semicondutores, sejam eles smartphones, robôs industriais ou marcapassos. Compreender isso é crucial para o trabalho de muitas pessoas. Quem, exatamente? As pessoas que vendem, fazem marketing e divulgam os próprios semicondutores. As pessoas que vendem, fazem marketing e divulgam os produtos que incorporam semicondutores. As pessoas que escrevem sobre semicondutores, e as pessoas que escrevem sobre os produtos que incorporam semicondutores. Para os consumidores, o conhecimento da tecnologia de semicondutores pode ser útil e, para alguns, tornou-se essencial – converse com qualquer jogador sério e ele estará quase tão familiarizado com os chips que compõem seus PCs quanto os próprios fabricantes de PCs. E há também aqueles que precisam de ao menos uma compreensão básica da tecnologia, não por si só, mas porque ela é importante para entender a indústria de semicondutores, assim como os muitos negócios que dependem deles. Entre eles estão analistas financeiros, investidores e formuladores de políticas públicas.

xii

Semicondutores

O número de pessoas não técnicas ao redor do mundo que se beneficiariam de ter uma compreensão básica da tecnologia de semicondutores facilmente chega às centenas de milhares e, possivelmente, aos milhões. É um assunto difícil de aprender ao longo do caminho. Sei disso porque foi exatamente o que eu fiz. Na faculdade, cursei principalmente disciplinas da área de Humanas. Formei-me em Jornalismo, esperando escrever sobre todo tipo de tema – nenhum deles era eletrônica. E então consegui um emprego em um jornal que cobria a indústria de semicondutores. Talvez eu tivesse esperteza suficiente para aprender enquanto trabalhava, mas não há dúvida de que tive sorte. Meus mentores e as pessoas do setor foram muito generosos em compartilhar seu conhecimento. A aprendizagem fragmentada pode ser útil – tem sido para mim, na maior parte do tempo – mas estou sempre descobrindo lacunas no meu conhecimento. Como eu disse, posso usar este livro hoje. E eu sei que não sou só eu. Todos os dias trabalho e converso com outras pessoas não técnicas – outros jornalistas, profissionais de relações públicas, vendedores, especialistas em políticas públicas – que também precisam lidar com Semicondutores e que, da mesma forma, não têm qualquer formação relevante na área. A experiência me mostra quase diariamente que algo como este livro seria realmente útil para muita gente. Ah! Mas existe essa coisa chamada Internet! Por que não simplesmente procurar essas coisas online quando você precisar? Passei a maior parte da minha carreira lendo informações de engenharia na Internet (não toda a minha carreira porque precisei esperar alguns anos até a World Wide Web ser introduzida e então se popularizar com informações pertinentes). Grande parte do conteúdo encontrado online é escrito por especialistas em tecnologia que presumem estar se dirigindo a outros especialistas em tecnologia. A habilidade de se comunicar com clareza não é uma competência tão amplamente difundida quanto se poderia desejar e, mesmo quando engenheiros escrevem bem, seu sentido tende a ser obscurecido por jargões certamente ininteligíveis para os não iniciados. Se você não tem formação técnica e precisa entender semicondutores, aqui está um guia completo, com explicações fáceis de entender, tudo à mão. Este livro é útil e necessário. Brian Santo

Introdução

Para quem não é da área da engenharia, a computação moderna pode parecer sobrenatural. Nas palavras do autor de ficção científica Arthur C. Clarke, “Qualquer tecnologia suficientemente avançada é indistinguível da magia”. Então, como os seres humanos descobriram como pegar as rochas que você pode encontrar em uma caminhada cotidiana e transformá-las em máquinas poderosas, capazes de revolucionar a forma como trabalhamos, como nos comunicamos, como vivemos? Desde os imponentes computadores mainframe da década de 1960 até os poderosos computadores microscópicos que impulsionam a sociedade hoje, a capacidade da humanidade de processar, armazenar e manipular dados avançou em um ritmo surpreendente. Em 1965, Gordon Moore, renomado tecnólogo e fundador da Intel, propôs o que veio a ser conhecido como Lei de Moore, que previa a duplicação do número de transistores, e do consequente poder computacional, que um determinado chip poderia conter a cada dois anos. Desde o primeiro transistor, do tamanho de uma mão, desenvolvido por William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain nos Laboratórios Bell em 1947, até os transistores de 3-nanômetros (um bilionésimo de metro) em desenvolvimento atualmente, os líderes da engenharia continuaram a comprovar a previsão de Moore, dobrando o número de componentes que podemos colocar em um chip aproximadamente a cada 18 meses (Yellin, 2019) (Moore, 1965). Esse crescimento exponencial do poder computacional levou ao que muitos chamam de Revolução Digital e tem sido responsável pela abundância de tecnologias de que desfrutamos e das quais dependemos hoje. Dos telefones celulares até a inteligência artificial, a tecnologia de semicondutores possibilitou a explosão de inúmeras indústrias e inovações. A indústria de semicondutores é, por si só, gigantesca; registrou aproximadamente US$ 440 bilhões em receita em 2020 e alcançou US$ 559 bilhões em 2021, com expectativa de crescimento para mais de US$ 600 bilhões até o final de 2022 (SIA Factbook, 2021). Só nos

xiv

Semicondutores

Estados Unidos, 250.000 pessoas são empregadas diretamente pela indústria de semicondutores, além de cerca de 1 milhão de empregos indiretos (SIA, 2021). Líderes do setor e políticos estão tentando aumentar ainda mais esses números e trazer mais empregos no setor de semicondutores para os Estados Unidos. Semicondutores são a terceira maior exportação dos Estados Unidos, atrás de petróleo e aeronaves, representando uma parcela desproporcional do PIB (Platzer, Sargent & Sutter, 2020). Sem semicondutores, não teríamos nada do que passou a definir a vida moderna – sem celulares, sem computadores, sem micro-ondas, sem videogames – tenho certeza de que qualquer pessoa que tentou comprar um carro durante a pandemia entende o que significa quando não há semicondutores suficientes. Em resumo, semicondutores são algo de grande importância. Então, não seria uma boa ideia aprender algo sobre eles? É fácil entender por que aqueles cuja subsistência depende de semicondutores gostariam de ler este livro. Mas mesmo para alguém sem nenhuma conexão com o setor, compreender o que são os semicondutores, como são fabricados, o que o futuro reserva e por que são tão importantes para nosso cotidiano será uma experiência gratificante. Idealmente, isso lançará uma luz de compreensão sobre um assunto que muitas vezes pode ser complicado e intimidante. Isso ajudará você a fazer conexões com outras áreas da tecnologia. Vai lhe dar um vocabulário técnico funcional que você poderá dominar com o tempo. Você talvez até impressione seus amigos no próximo jantar. E, se esses motivos não forem suficientes, ler Semicondutores: um guia técnico para não técnicos, mergulhando na batalha tecnológica desconhecida determinado a emergir com novas perspectivas sobre o mundo ao nosso redor, pode até te fazer sentir orgulhoso.

Sumário

Sobre o autor

Sobre o revisor técnico

vii

Agradecimentos ix Prefácio xi Introdução xiii

1 Noções básicas de semicondutores

Eletricidade e condutividade 1 Silício – o semicondutor crucial

Uma breve história dos semicondutores

Cadeia de valor de semicondutores – nosso roadmap

Desempenho, potência, área e custo (PPAC)

Quem usa semicondutores?

Resumo 17 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores) 18

xvi

Semicondutores

2 Blocos de construção de circuitos

Componentes discretos – os blocos de construção dos circuitos

Transistores 21 Estrutura do transistor 22 Como os transistores funcionam 23 Como os transistores funcionam – uma analogia com água 24 Transistores FinFET vs. MOSFET 25

CMOS 26 Como os transistores são usados

Portas lógicas 28 Resumo 29 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores)

3 Construindo um sistema

Diferentes níveis de eletrônica – como o sistema se integra Fluxo de projeto de circuito integrado

31 34

O processo de design

Ferramentas EDA 42 Resumo 43 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores)

4 Fabricação de semicondutores

Visão geral de fabricação Desenvolvimento de front-end Ciclagem – pré e pós-metal Teste por sondagem do wafer, rendimento e análise de falhas Fabricação de back-end

45 47 52 55 58

Montagem e teste

Equipamentos semicondutores

Resumo 62 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores)

Sumário xvii

5 Integrando o sistema

O que é um sistema? 65 Entrada/saída (E/S) 66 Encapsulamento de CI 66 Integridade de sinal 70 Interfaces de barramento 71 Fluxo de potência em sistemas eletrônicos 74 Resumo 76 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores)

6 Circuitos comuns e componentes de sistemas

Digital vs. analógico 79 Componentes comuns de sistema – a estrutura SIA 82 Microcomponentes 83 Microprocessadores e microcontroladores Processadores de sinais digitais (DSP) Resumo do mercado de microcomponentes

83 84 84

Lógica 85 Lógica de propósito específico Unidade central de processamento Unidades de processamento gráfico ASICs vs. FPGAs ASIC ou FPGA – qual escolher? Sistema em um chip Resumo do mercado de lógica

85 85 86 87 89 91 93

Memória 93 Pilha de memória

Memória volátil 97 Memória não volátil 97 Memória não volátil primária 98 Memória secundária (HDD vs. SSD) 98 Memória de matriz empilhada (HBM vs. HMC) 99 Resumo do mercado de memórias 100

xviii Semicondutores

Componentes optoeletrônicos, sensores e atuadores, componentes discretos (OSD)

101

Optoeletrônicos 101 Sensores e atuadores 102

MEMS 103 Componentes discretos Componentes discretos vs. circuitos integrados de gerenciamento de energia (PMIC) Resumo do mercado de optoeletrônica, sensores e atuadores e componentes discretos

Componentes analógicos CIs analógicos de uso geral vs. ASSPs Resumo do mercado de componentes analógicos Sistemas de processamento de sinais – integrando componentes

104 105 105

106 106 107 107

Resumo 109 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores) 110

7 RF e tecnologias sem fio RF e wireless Sinais de RF e o espectro eletromagnético RFIC – transmissores/receptores O modelo de referência OSI RF e wireless – a visão geral

Radiodifusão e regulação de frequência Processamento digital de sinais TDMA e CDMA 1G a 5G(eração) – uma evolução Comunicação sem fio e computação em nuvem

111 111 112 113 116 118

120 121 121 123 124

Resumo 125 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores) 126

8 Arquitetura do sistema e integração

127

Macroarquitetura vs. microarquitetura Arquiteturas comuns de chips

127 128

Arquitetura Von Neumann vs. arquitetura Harvard

128

Sumário

Arquitetura de conjunto de instruções (ISA) vs. microarquitetura Pipeline de instruções e desempenho do processador

CISC vs. RISC Escolhendo uma ISA

xix

129 131

134 136

Integração heterogênea vs. integração monolítica – de PCBs a SoCs 137 Resumo 140 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores) 141

9 A indústria de semicondutores – passado, presente e futuro 143 Custos de design Custos de fabricação Evolução da indústria de semicondutores

143 145 147

Décadas de 1960 a 1980: empresas de semicondutores totalmente integradas 147 1980–2000: IDM + design fabless + fundição pura 148 2000–hoje: empresas de design fabless + foundries + retardatárias de IDMs + design interno de empresas de sistemas 149

Fábricas vs. projeto fabless – o argumento contra os IDMs Perspectivas do setor 1. Receitas cíclicas e alta volatilidade 2. Alto investimento em P&D/capital 3. Alta remuneração e crescimento positivo da produtividade 4. Lucratividade de longo prazo 5. Alta consolidação

150 153 154 154 156 156 158

Mercado de semicondutores dos EUA vs. mercado ao redor do mundo 161 COVID-19 e a cadeia global de suprimentos de semicondutores 166 Concorrência chinesa 169 Resumo 171 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores) 171

10 O futuro dos semicondutores e dos sistemas eletrônicos

173

Prolongando a Lei de Moore – tecnologias sustentáveis

173

Superando a Lei de Moore – novas tecnologias 177

Semicondutores

Resumo 182 Seu SAT pessoal (teste de conhecimento sobre semicondutores) 183

Conclusão 185 Apêndice 187 Fontes 193 Texto Ilustrações

193 209

Glossário

215

Índice remissivo

251

Noções básicas de semicondutores

Os semicondutores têm tudo a ver com aproveitar o poder da eletricidade para fazer coisas incríveis. Quando você pensa nisso, o avanço humano sempre foi caracterizado pela nossa capacidade de aproveitar e controlar forças naturais poderosas. A luz solar foi aproveitada para cultivar alimentos, a gravidade foi aproveitada para mover água dos rios para as cidades, e o vento foi aproveitado para cruzar os oceanos à vela. Nos últimos 100 anos, os semicondutores têm sido a chave para aproveitar o poder incrível de uma força natural especial – a energia elétrica. Para entender exatamente como isso funciona, primeiro precisamos aprender um pouco dos fundamentos de eletricidade e condutividade. Não se preocupe, não tem matemática. Bem, talvez só um pouquinho…

Eletricidade e condutividade Eletricidade é usada para descrever um monte de coisas diferentes, mas na verdade não é uma “coisa”. Mais precisamente, eletricidade descreve a relação entre carga e corrente (BBC, s.d.). Carga elétrica é uma propriedade fundamental da matéria carregada por duas das partículas que compõem os blocos de construção básicos da matéria – prótons e elétrons (Encyclopedia Britannica, 2021). Para entender como prótons e elétrons interagem entre si, vamos recordar a física do ensino fundamental e lembrar a estrutura de um átomo semelhante a um sistema solar. No nosso modelo, cada átomo tem um núcleo composto por prótons com carga positiva e nêutrons neutros aglutinados em uma esfera. Ao redor do núcleo, há um conjunto de elétrons com carga negativa girando em alta velocidade. A estrutura atômica é mantida pelo equilíbrio entre duas forças – força eletromagnética e força nuclear forte, o que podemos ver pelo modelo de nuvem eletrônica na Figura 1-1. Embora muitos livros de física retratem elétrons orbitando o núcleo de um átomo em linhas concêntricas organizadas, na

Semicondutores

vida real eles são muito mais desorganizados e são melhor representados como um campo ou nuvem (Williams, 2016).

Figura 1-1 – Modelo de nuvem eletrônica de um átomo

Força eletromagnética faz com que cargas opostas se atraiam e cargas semelhantes se repelam. É a força responsável por manter os elétrons próximos ao núcleo e por seu movimento entre átomos. Força nuclear forte é o que mantém nêutrons e prótons unidos, apesar de os prótons terem cargas semelhantes. Em alguns elementos, os elétrons permanecem próximos ao núcleo do átomo, mas em outros elementos, os elétrons estão constantemente saltando para outros átomos próximos. Elementos com esses elétrons mais ativos são chamados de condutores. Em um condutor como o cobre, os elétrons estão constantemente saltando de átomo para átomo. Toda vez que um elétron de um átomo de cobre salta para um átomo de cobre vizinho, o átomo transmissor e o átomo receptor passam a ter uma carga – o átomo transmissor, com um elétron a menos (átomo 1), agora tem carga positiva, e o átomo receptor, com um elétron a mais (átomo 2), agora tem carga negativa. Uma vez que o átomo 1 tenha carga positiva, a força eletromagnética, que faz cargas opostas se atraírem, puxará um elétron do átomo 3', que rapidamente saltará para preencher a lacuna. O átomo 1 agora ficará neutro, enquanto o átomo 3 ficará positivo, atraindo assim mais um elétron do átomo 4. Podemos ver esse processo ocorrer na Figura 1-2. Esse processo continua constantemente em tudo o que você vê; nós simplesmente não percebemos porque esses movimentos acontecem aleatoriamente em todas as direções e, em conjunto, se anulam. Esse efeito de anulação é o motivo pelo qual os objetos do dia a dia não têm uma carga negativa ou positiva – cada coisa que encontramos pode conter bilhões de átomos carregados positiva e negativamente a qualquer momento, mas, coletivamente, cada objeto como um todo é neutro, sem carga alguma. É por isso que seu sofá não te eletrocuta toda vez que você se senta! Em um estado neutro, os elétrons podem saltar de átomo em

Blocos de construção de circuitos

Antes que qualquer pessoa pudesse carregar um computador potente no bolso, os circuitos eletrônicos eram formados por muitos pequenos componentes em uma placa de circuito impresso. Se você já abriu um estéreo ou uma televisão antigos, provavelmente viu alguns desses pequenos retângulos verdes cobertos com caixas e cilindros pretos, marrons e prateados. Esses circuitos eram construídos com o que se chama de “componentes discretos”. A história dos circuitos eletrônicos começa aí…

Componentes discretos – Os blocos de construção dos circuitos Todos os dispositivos eletrônicos são construídos usando alguma combinação de componentes discretos – os menores blocos de construção de um dispositivo eletrônico. Embora existam inúmeros “blocos de LEGO” de componentes com os quais a eletrônica moderna é construída, estes são os mais importantes para lembrar e entender: 1.

Transistor: transistores funcionam como chaves eletrônicas – elas impedem a passagem de eletricidade ou permitem que a corrente flua. Ao encadear muitos transistores, chaves de transistores desligadas (0) e ligadas (1) podem formar padrões que representam e manipulam informações.

Resistor: Um resistor é um dispositivo feito de um material que impede o fluxo de eletricidade através de um circuito, controlando a tensão e a corrente.

Capacitor: Um capacitor é um dispositivo que armazena energia elétrica.

Indutor: Um indutor é um dispositivo que usa campos magnéticos para controlar o fluxo de eletricidade; estes são encontrados como componentes discretos em

Semicondutores

fontes de alimentação que convertem uma bateria ou uma fonte de alimentação de corrente alternada (CA) em uma fonte de alimentação de baixa tensão de corrente contínua (CC) para computadores e dispositivos móveis (Murata, 2010). Capacitores e indutores regulam ou estabilizam a tensão, de modo que nunca haja tensão insuficiente ou excessiva em qualquer ponto. Tensão insuficiente impede o funcionamento do sistema; tensão excessiva pode danificar o sistema. 5.

Diodo: Diodos são um pouco como transistores, exceto que, em vez de permitir que o fluxo de eletricidade seja controlado como um interruptor, eles apenas permitem o fluxo de eletricidade em uma direção. Essencialmente, atuam como um portão de sentido único, ou válvula, para a eletricidade. Você provavelmente está familiarizado com diodos emissores de luz (LEDs), que são um tipo específico de diodo que ajudam você a ler à noite e tornam as festas mais divertidas.

Esses cinco principais componentes são usados para manipular o fluxo de eletricidade. Eles podem ser discretos (fabricados separadamente) ou integrados (fabricados no mesmo substrato) e variam amplamente em tamanho e dimensão. Podemos ver cada componente ilustrado na Figura 2-1.

Figura 2-1 – Componentes discretos

Os componentes discretos não integrados são chamados de "discretos" porque são fabricados separadamente uns dos outros, ao contrário de serem todos fabricados em um único wafer. Circuitos integrados, por outro lado, são compostos por muitos componentes “funcionais” integrados em um único substrato, o material semicondutor de base sobre o qual os circuitos integrados são construídos, algo como a fundação de uma casa, porém em escala microscópica (Saint & Saint, 1999). Em vez de fabricar separadamente uma determinada quantidade de transistores, resistores, capacitores e diodos e conectá-los depois, os padrões podem ser gravados juntos no mesmo chip, ou die, usando tecnologias de fabricação especializadas como fotolitografia. Um único chip avançado chip pode literalmente conter bilhões de componentes funcionais individuais executando as mesmas atividades que componentes discretos fabricados separadamente do circuito integrado. A distinção importante aqui é que eles são integrados e fabricados no mesmo substrato que o restante do circuito. Além disso, os circuitos integrados podem ser fabricados aos milhares, ou até dezenas de milhares, em um único wafer. Ao integrar de forma estreita esses componentes funcionais no mesmo chip e fabricar milhares ao mesmo tempo, economiza-se energia (Sistema menor), aumenta-se a velocidade (maior densidade) e reduz-se a área, o que reduz ainda mais os custos unitários de fabricação (menos materiais e menos etapas de processo) (New World Encyclopedia, 2014).

Construindo um sistema

Transistores e outros componentes-chave impulsionaram a revolução digital das últimas quatro décadas, alimentando a inovação em todas as disciplinas científicas e indústrias. Mas, se pararmos para pensar bem, os transistores, por si só, são bastante comuns. Source, gate e drain, sozinhos, não executam nenhuma função útil. É apenas quando conectados, com trilhões em investimentos e os esforços hercúleos de milhões das mentes mais brilhantes da humanidade focadas em construir projetos cada vez mais complexos, que os transistores podem fazer o que fazem hoje. Os CIs mais avançados em produção requerem até dois trilhões de transistores em um único chip (Hutson, 2021) – imagine se o seu trabalho exigisse acertar dois trilhões de coisas! Para realizar esse feito, projetistas de hardware precisam agrupar e organizar sistemas eletrônicos em níveis de abstração cada vez mais altos. Neste capítulo, exploraremos como tais CIs avançados são projetados, mas antes precisamos entender como esses níveis se encaixam.

Diferentes níveis de eletrônica – como o sistema se integra Para entender como componentes individuais se encaixam para formar um produto final, podemos visualizar uma hierarquia de sistema, onde cada nível é a soma dos níveis abaixo dele (ver Figura 3-1). A base de um sistema eletrônico é formada por uma combinação de (1) componentes discretos soldados diretamente a uma placa de circuito impresso (PCI) ou (2) componentes funcionais integrados em um único die.

Semicondutores

Figura 3-1 – Diferentes níveis de um sistema eletrônico

Alguns componentes, como transistores, se prestam à integração em nível de chip enquanto outros componentes, como capacitores maiores e indutores que compõem a circuitaria de potência de um sistema, se prestam à integração nos níveis de encapsulamento (package) ou de PCB. Seja integração em nível de chip ou em nível de PCB, esses transistores e componentes constituem os blocos de construção básicos que formam a fundação sobre a qual todos os níveis superiores são construídos. Podemos vê-los ilustrados na Figura 3-1 como nível 0. No IC ou circuito integrado nível 1, chips inteiros são desenvolvidos e projetados usando uma combinação de componentes discretos ou funcionais menores. Esses projetos podem ser circuitos extraordinariamente complexos com bilhões de transistores, como a CPU que

Fabricação de semicondutores

Acompanhamos a jornada de um novo chip desde a arquitetura de sistema de alto nível por meio de um mosaico de etapas e subprocessos de design concorrentes e estamos finalmente prontos para dar vida ao nosso novo chip. Semicondutor fabricação não é tarefa fácil – produzir circuitos integrados contendo bilhões de transistores, com dimensões de apenas alguns átomos de espessura, é uma tarefa incrivelmente ambiciosa que deve ser realizada em larga escala com precisão cirúrgica. Neste capítulo, exploraremos cada etapa do processo, desde a fabricação inicial até a montagem e os testes finais. Antes de começarmos, porém, é importante entendermos alguns termos básicos.

Visão geral de fabricação A fabricação de semicondutores é um processo altamente complexo e de extrema precisão que exige fábricas de chips especializadas, chamadas fábricas de wafers equipadas com tecnologia de ponta que custa centenas de milhões ou bilhões de dólares. O produto desse processo complexo pode variar de algumas dezenas a várias centenas ou até milhares de circuitos integrados acabados por wafer, dependendo da área do chip e do rendimento do lote. Processos exclusivos são usados para fabricar diferentes tipos de dispositivos semicondutores. Você pode pensar neles como as “receitas” para uma fabricação bem-sucedida. Cada receita é composta por etapas que aproveitam uma combinação de tecnologias para levar com sucesso um projeto do GDS à realidade. No setor, essas receitas de processo são chamadas de nós de tecnologia, nós de processo, ou simplesmente nós. O termo nó refere-se à dimensão mínima de um elemento para uma determinada geração de tecnologia de processo. As dimensões dos elementos são medidas em nanômetros (nm), ou um bilionésimo de metro. Para colocar em perspectiva, uma folha de papel ou um fio de cabelo humano tem cerca de 100.000 nanômetros de espessura (NNI, s.d.). Uma fábrica de wafers operando um nó

Semicondutores

avançado de 3 nm, por exemplo, pode produzir chips com muito mais transistores do que uma operando um nó de 90 nm, já que cada transistor é significativamente menor (PCMag, s.d.). Sempre que uma tecnologia de processo permite um tamanho de transistor menor, nasce um novo nó. Se você ouvir um engenheiro ou um apresentador de notícias discutindo o antigo "nó de 14nm" da Intel versus o revolucionário "nó de 5nm" da TSMC, o que eles estão discutindo é a capacidade da TSMC de fabricar transistores com dimensões tão pequenas quanto 5nm, enquanto a Intel só consegue fabricar circuitos integrados com dimensões de até 14nm. O sistema de nomenclatura da indústria para tecnologias avançadas, baseado no comprimento das portas lógicas, é enganoso e não reflete as dimensões reais dos componentes, que estão muitos nanômetros abaixo do real. Por simplicidade, porém, e talvez para evitar quaisquer e-mails indignados dos departamentos de marketing da TSMC ou da GlobalFoundries, vamos assumir que essas medidas são precisas (IRDS, 2020). O nó tecnológico mais avançado em desenvolvimento é o nó de processo de 2nm, que a Samsung planeja colocar em produção em 2025 (Shilov, 2021). A Figura 4-1 detalha dados de 2019 da SIA e da BCG descrevendo quais gerações de tecnologias de fabricação (nós) estão sendo usadas para fabricar quais tipos de dispositivos semicondutores. Os chips de memória com dimensões de recursos menores, conjuntos de recursos repetitivos e arquiteturas mais simples são fabricados usando os nós mais avançados, enquanto os dispositivos discretos, analógicos, optoeletrônicos e sensores (DAO) são feitos usando tecnologias mais antigas e menos avançadas (Varas et al., 2021). Ao lado de cada nó de processo, no eixo x, é apresentada a porcentagem de operações de fabricação de wafers em andamento naquele nó. Menos de 2% de todas as execuções de wafer em 2019 estavam operando em equipamento e tecnologia de processo de 10nm, 37% de todos os nós estavam operando com tecnologia de fabricação de 10-22nm, e assim por diante. Observe que, embora os nós mais avançados recebam todo o destaque, muitos chips são fabricados em nós com décadas de existência e com dimensões superiores a 90nm. Uma execução de wafer é uma única passagem pelo Processo de fabricação de semicondutores, desde a fabricação de wafer inicial até quando os dies individuais são separados uns dos outros durante o corte de wafer, e discutiremos esses processos em detalhe nas próximas seções.

Figura 4-1 – Utilização em 2019 da capacidade de fabricação de semicondutores por nó de processo e tipo de componente (SIA e BCG)

Integrando o sistema

Milhões de dólares e um ano do árduo trabalho de nossa equipe de design foram investidos, mas valeu muito a pena! A fábrica concluiu e enviou seu pedido – 100.000 processadores personalizados recém-fabricados estão a caminho. E agora? Se você está lendo isto em um Kindle ou em um laptop, pode ter notado que há uma tela à sua frente, não uma montagem do encapsulamento do chip. A verdade é que um CI bem projetado é tão bom quanto o sistema do qual faz parte. À medida que a Lei de Moore desacelera e as empresas passam a depender mais do Escalonamento funcional para atender às demandas de seus clientes, a integração de sistemas tornou-se cada vez mais importante. De interconexões avançadas e encapsulamento de CI de próxima geração à integridade de sinal e redes de distribuição de energia, neste capítulo exploraremos as tecnologias que conectam os sistemas.

O que é um sistema? A palavra sistema pode ser usada em diferentes níveis para descrever uma estrutura totalmente funcional e discreta, como um laptop, ou qualquer número de subsistemas ou módulos totalmente equipados para lidar com uma tarefa específica dentro do projeto maior – pense na tela e nos drivers de LED que compõem o módulo de display no Kindle que mencionamos anteriormente. Muitos dispositivos são feitos a partir de uma coleção de diferentes CIs e componentes que podem ter sido projetados por empresas totalmente distintas usando métodos proprietários e microarquiteturas únicas – integrar todos eles é uma tarefa complicada e difícil. Além disso, os pontos de conexão entre cada módulo costumam ser gargalos para o fluxo de dados, o que pode aumentar a latência e desacelerar o sistema como um todo. Para conectar os vários subsistemas e garantir que energia e dados cheguem ao lugar certo, uma rede bem projetada de interconexões, tecnologias robustas de encapsulamento e uma boa análise de integridade de sinal e de integridade de potência são vitais para desenvolver um sistema de alto desempenho.

Semicondutores

Entrada/saída (E/S) Uma parte essencial do que une o sistema são as interconexões, comumente chamadas de entrada/saída (E/S). Dentro de um único chip, as interconexões são os circuitos que conectam diferentes componentes, como transistores, entre si para formar portas lógicas e outros blocos de construção funcionais. Em um nível mais alto, as interconexões referem-se às conexões entre o chip e a PCB, outros componentes ou chips na PCB e outras partes do sistema como um todo. Chips grandes podem ter até 30 milhas de fiação de interconexão empilhada ocupando as várias camadas de um CI (essas camadas são formadas durante a etapa de BEOL do processo de fabricação de front-end abordado no capítulo anterior) (Zhao, 2017). Em resumo, as interconexões servem como porta de entrada através da qual os componentes individuais e os blocos funcionais interagem com o restante do sistema. O projetista do sistema tem muitas opções diferentes para conectar a E/S dentro do sistema, o que começa com a seleção do encapsulamento adequado para cada CI.

Encapsulamento de CI Como vimos no Capítulo 4, um chip finalizado é colocado em um encapsulamento de CI durante a etapa final do ciclo de fabricação eletrônica. Ou, no caso de encapsulamento em nível de wafer, o chip finalizado já está encapsulado antes de ser cortado e separado do restante do wafer. O encapsulamento eletrônico protege o chip do ambiente externo e dá suporte às interconexões elétricas que conectam o dispositivo ao restante do sistema. Embora tenhamos apresentado brevemente o encapsulamento eletrônico no Capítulo 4, aqui vamos nos aprofundar e explorar todas as diferentes variedades de encapsulamento em um nível mais detalhado. Sinta-se à vontade para avançar e conferir a Figura 5-2 sobre Estruturas e Arquiteturas de Encapsulamento para ajudar a visualizar os vários componentes e configurações enquanto avançamos em nossa discussão de cada tipo de encapsulamento. Os tipos de encapsulamento mais amplamente utilizados incluem: •

Wire bond – Quando os circuitos integrados (CIs) começaram a ganhar força, as interconexões de encapsulamento eram limitadas a conexões de fios ligadas entre as ligações dos CIs e os pads de contato dentro do encapsulamento até os pinos que eram soldados na placa externa ou substrato que suportava o restante do sistema (Gupta & Franzon, 2020). Esse arranjo limita o número de possíveis interconexões de um chip individual, pois elas só podem ser localizadas na borda do die e do encapsulamento.

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Encapsulamento flip‑chip – Este procedimento resolve esse problema de área permitindo que as interconexões sejam colocadas dentro dos limites do próprio chip (Gupta & Franzon, 2020). Ele consegue isso adicionando etapas à parte final do processo de fabricação e montagem.

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O processo de fixação flip-chip tem aproximadamente seis etapas. Abordamos isso no Capítulo 4, mas faremos aqui uma análise mais detalhada da tecnologia flip-chip.

Circuitos comuns e componentes de sistemas

Dos fundamentos aos ASICs, percorremos um longo caminho nos Capítulos 1-5. Começamos com a física eletrônica fundamental e a estrutura dos transistores, depois nos concentramos em como os semicondutores são projetados, fabricados e integrados a sistemas maiores. Embora nossa discussão tenha nos ajudado a construir um modelo holístico de sistemas eletrônicos, até aqui ela tratou em grande parte os semicondutores como um monólito desprovido de características diferenciadoras. Neste capítulo, vamos desmontar esse monólito, explorando os inúmeros tipos de circuitos comuns e componentes de sistema que compõem a família dos semicondutores. Antes de explorarmos cada uma dessas grandes subcategorias, primeiro examinaremos as diferenças entre tecnologia digital e tecnologia analógica.

Digital vs. analógico Há dois tipos principais de componentes que recebem seus nomes pelo tipo de sinais que utilizam – digitais e analógicos. Os sinais digitais funcionam como um interruptor de luz – estão ligados (1) ou desligados (0) (MPS, s.d.). Esses padrões de 1s e 0s são usados para transmitir informação e constituem a linguagem de computador binária com a qual a maioria das pessoas está familiarizada quando pensa em eletrônica (MPS, s.d.). Os sinais digitais geralmente também são síncronos – eles operam com um clock de referência para coordenar o processamento de diferentes blocos funcionais e assegurar a temporização adequada (MPS, s.d.). Embora sua previsibilidade e temporização síncrona os tornem excelentes para armazenar e processar informações, os circuitos digitais não conseguem transportar informações a qualquer distância sem cabeamento físico para mover seus sinais de um lugar para outro.

Semicondutores

Enquanto a eletrônica digital opera com temporização síncrona e valores discretos, dispositivos analógicos processam informações continuamente como um intervalo de valores (MPS, s.d.). Sua capacidade de capturar e transmitir energia eletromagnética os torna bem adequados para aplicações como comunicação sem fio. Para os especialistas na plateia, sim, a comunicação sem fio pode enviar sinais digitais, mas isso é tipicamente feito modulando um sinal analógico frequência ou amplitude e então recuperando esses bits usando um receptor. Podemos visualizar sinais analógicos como os gráficos de seno e cosseno da geometria básica. Grande parte da energia de sinais do mundo real é de natureza analógica – som e luz, por exemplo, existem como “sinais de onda” analógicos. Podemos ver as diferenças entre sinais digitais binários e sinais de onda analógicos claramente ilustradas na Figura 6-1.

Figura 6-1 – Analógico vs. sinais digitais

Os sinais analógicos são distinguidos uns dos outros por sua frequência. A frequência descreve o número de vezes que uma onda de sinal analógico completa um ciclo de subida e descida, ou se repete, ao longo de um período fixo. Para um dado sinal, a frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda e diretamente proporcional à potência – quanto maior a frequência, menor o seu comprimento de onda, porém maior o seu nível de energia (NASA Hubble Site, s.d.). Para lembrar dessa dinâmica, acho útil imaginar um pai exausto levando seu filho inquieto ao parque após um longo dia de trabalho. A criança correndo pelo parque pode ser menor, mas tem muito mais energia e maior frequência de movimento do que o pai maior, que se arrasta do balanço para o trepa-trepa. A frequência elétrica é medida em unidades chamadas hertz (Hz), que descrevem o número de vezes que um sinal eletromagnético completa um ciclo de subida e descida por segundo (Encyclopedia Britannica, s.d.). A unidade hertz recebe esse nome em homenagem a Heinrich Hertz, um físico alemão que realizou pesquisas pioneiras sobre as propriedades da radiação eletromagnética. Ao receber e processar diferentes frequências, a eletrônica analógica pode realizar vários tipos de tarefas úteis, desde detectar estímulos externos (sensores) até transmissão e comunicação de dados sem fio (tecnologia de RF). Podemos ver a relação entre comprimento de onda, frequência e energia na Figura 6-2. Sinais de alta frequência têm maior energia e um comprimento de onda mais curto, enquanto sinais de baixa frequência têm menos energia e um comprimento de onda mais longo.

RF e tecnologias sem fio

Começamos o Capítulo 6 discutindo as diferenças entre sinais analógicos e sinais digitais e os vários subcomponentes projetados para processá-los. No Capítulo 7, damos especial atenção ao mundo analógico ao detalharmos o trabalho empolgante de RF e eletrônica sem fio. De rádios de carro a celulares, o advento das tecnologias sem fio possibilitou acesso instantâneo à informação e ao entretenimento em todo o mundo e em movimento, transformando a maneira como vivemos nossas vidas. Antes de acompanharmos essa evolução e as tecnologias de hardware que a tornam possível, precisamos examinar o espectro eletromagnético.

RF e wireless Para entender melhor os sistemas sem fio, é útil considerar duas formas de energia. A primeira forma é energia elétrica, que discutimos no Capítulo 1. A energia elétrica percorre um condutor e é o resultado de uma diferença de tensão que faz com que a corrente percorra a fiação interna e os circuitos de um dispositivo eletrônico. A segunda forma é a energia sem fio “propagada pelo ar” que viaja de um lugar a outro em ondas, como uma ondulação na água. Como estudiosos de criatividade inesgotável, chamaremos isso de energia de onda. Ao manipular esses dois tipos de energia – energia elétrica e energia ondulatória – a humanidade consegue criar, armazenar e comunicar quase três quintilhões de bytes de informação todos os dias (Bartley, 2021). Engenheiros eletricistas realizam essa mágica controlando a intensidade da energia elétrica ao longo do tempo, criando “padrões” elétricos ou sinais. Os computadores usam esses padrões para se comunicar entre si – enviando, recebendo, armazenando e processando as informações que usamos em nosso cotidiano.

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Sinais de RF e o espectro eletromagnético Então, o que exatamente são os sinais de radiofrequência? Sinais de RF são sinais analógicos em forma de “onda” usados para transmitir informação de um lugar a outro sem um cabo físico ou conexão com fio (NASA, 2018). A revolução dos semicondutores que começou na década de 1960 era limitada por essas conexões físicas, mas a tecnologia sem fio nos permite levar a tecnologia conosco para onde quer que vamos. Esses sinais analógicos sem fio podem existir em uma ampla gama de intensidades e frequências, chamada de espectro eletromagnético (NASA, 2018). O que diferencia os sinais de RF de outros sinais analógicos de “onda”, como som e vídeo? Frequência. A frequência é o que a eletrônica usa para distinguir entre um sinal e outro (NASA, 2018). Se você já se perguntou como é possível ouvir rádio e falar ao telefone ao mesmo tempo sem que interfiram um no outro, aqui está a resposta: os serviços de rádio, televisão, telefonia e internet utilizam diferentes faixas de frequência, chamadas bandas de frequência, para transmitir diversos tipos de informação (Commscope, 2018). A Comissão Federal de Comunicações (FCC) regula estritamente quem pode usar quais faixas de frequência (bandas) para quais tipos de comunicação, a fim de evitar que as pessoas interfiram nos sinais umas das outras (FCC, 2018). Mesmo assim, às vezes nossos dispositivos interferem entre si – tente usar seus fones de ouvido Bluetooth muito perto do forno de micro-ondas e isso pode arruinar seu podcast! Cada faixa é reservada para um determinado protocolo de comunicação para garantir que todos os usuários sigam os mesmos padrões (AM, FM, CDMA, 802.11, etc.). Os provedores de serviços têm apenas uma quantidade finita de faixa de frequência com a qual podem trabalhar (largura de banda) para oferecer um conjunto de serviços em constante expansão, como Internet e televisão aos seus clientes (FCC, 2018). Por causa disso, os provedores são incentivados a incluir o máximo de informação para o maior número possível de pessoas em uma quantidade fixa de faixa de frequência. Eles buscam extrair o máximo de receita de sua largura de banda alocada, investindo bilhões em tecnologias sem fio como CDMA (falaremos mais sobre isso adiante). Em termos simples, quando as operadoras de telefonia e os provedores de TV se gabam de “largura de banda” e velocidade de rede em seus comerciais, o que eles realmente estão dizendo é “usamos nossa faixa de frequência para oferecer o serviço mais rápido ao maior número de clientes.” Como você pode ver na Figura 7-1, várias partes do espectro eletromagnético são usadas para diferentes aplicações. Radiofrequência (RF) descreve uma parte do “espectro imobiliário”, que usamos para rádio, transmissão de TV e outros. Dentro da faixa de frequência de RF, uma subseção inclui micro-ondas cuja faixa de frequência é usada para Wi‑Fi, radar e cobertura de telefonia celular. Todas as ondas eletromagnéticas são radiação. A maioria das frequências é inofensiva, mas em altas frequências elas podem ser muito prejudiciais, como pode ser visto na ionizante parte do espectro no lado direito do diagrama.

Arquitetura do sistema e integração

Tendo concluído nossa tour por RF e tecnologias sem fio no mundo da eletrônica analógica, agora voltaremos nosso foco ao digital enquanto mergulhamos mais fundo nos motores computacionais do ecossistema de semicondutores – os microprocessadores. Microprocessadores são os “cérebros” dos sistemas de computação – eles contêm os circuitos aritméticos, lógicos e de controle necessários para executar instruções, processar dados e executar programas de software sofisticados. Com os microprocessadores de computação pessoal mais avançados de hoje contendo mais de 100 bilhões de transistores, a complexidade do sistema e os desafios de projeto nunca foram tão grandes (Apple Newsroom, 2022). Para superar tais desafios, os líderes de projeto devem prestar muita atenção tanto às decisões microarquiteturais quanto as macroarquiteturais, equilibrando cuidadosamente as compensações entre flexibilidade e desempenho com o custo e a complexidade de uma integração de sistemas mais estreita. Neste capítulo, analisaremos as decisões arquiteturais e as compensações que esses líderes enfrentam ao construir a próxima geração de dispositivos eletrônicos.

Macroarquitetura vs. microarquitetura O termo “arquitetura” pode ser usado em engenharia de semicondutores para significar uma de duas coisas – Arquitetura de Sistema ou Microarquitetura. Em nível de sistema, ou macronível, usadas para definir famílias inteiras de chips, são tecnicamente descritas por diferentes tipos de arquiteturas de conjunto de instruções (ISA). As ISAs descrevem a forma como as instruções são enviadas pelo programador ao computador (Thornton, 2018). Como o software funciona como um meio entre o programador e o hardware físico sobre o qual é executado, o tipo de arquitetura usado para construir o hardware pode ter um impacto mensurável sobre os tipos de programas que um processador pode executar e sobre o desempenho do sistema como um todo.

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Microarquitetura, por outro lado, descreve a forma como uma ISA é de fato implementada no próprio projeto de hardware. Uma CPU, uma GPU e uma PMU podem ser projetadas usando uma única ISA que rege o projeto de todo o SoC, mas, ainda assim, possuir microarquiteturas exclusivas. Historicamente, existem dois tipos principais de macroarquiteturas.

Arquiteturas comuns de chips Arquitetura Von Neumann vs. arquitetura Harvard A arquitetura Von Neumann é uma macroarquitetura desenvolvida pelo físico e matemático John Von Neumann na década de 1940 e é a base da maioria dos computadores modernos até hoje. A estrutura Von Neumann depende de três componentes – a CPU, as interfaces de entrada/saída e a memória. Dentro da CPU, existem (1) registradores, onde dados e instruções são recebidos da e enviados para a memória; (2) uma unidade de controle, que determina quais instruções devem ser executadas; e (3) a unidade aritmética e lógica, onde as instruções são executadas e as informações são efetivamente processadas (BBC, s.d.). A arquitetura Harvard possui a maioria dos mesmos componentes do sistema – CPU, memória e interfaces de E/S. As duas diferem principalmente em como acessam (entrada) e distribuem (saída) informações. Em um dispositivo Von Neumann, a CPU tanto recebe instruções e dados da memória quanto distribui a saída usando as mesmas interfaces de E/S (armDeveloper, s.d.). Um dispositivo com Arquitetura Harvard, por outro lado, separa instruções e dados em dois bancos de memória distintos, com um barramento exclusivo para cada tipo de entrada (Khillar, 2018). Ao manter dados e instruções separados, dispositivos Harvard podem, teoricamente, acessar simultaneamente a memória e os conjuntos de instruções, reduzindo os ciclos de clock necessários para executar uma única instrução. A dificuldade reside em sincronizar corretamente, ou em pipeline, as instruções e os dados para que cheguem à CPU ao mesmo tempo (Khillar, 2018). Como a estrutura Von Neumann possui apenas um único barramento, o projeto é menos complexo e, portanto, menos custoso (Khillar, 2018). Podemos ver as diferenças entre as arquiteturas Von Neumann e Harvard na Figura 8-1 e resumidas na Tabela 8-1.

Figura 8-1 – Arquitetura Harvard vs. Von Neumann

A indústria de semicondutores – passado, presente e futuro Após dedicarmos oito capítulos a dissecar tudo, desde estruturas de transistores até arquitetura de sistemas, devemos estar bem familiarizados com a tecnologia de semicondutores. Surge então a pergunta: como toda essa tecnologia se encaixa na visão geral? Desde o seu início na década de 1960, a indústria de semicondutores vem enfrentando dois grandes desafios contínuos – a escalada dos custos de design e o aumento dos custos de fabricação. Esses dois desafios impulsionaram o campo das empresas de design totalmente integradas para os modelos fabless multifacetados que vemos hoje. Nas seções a seguir, descrevemos os fatores que influenciam os custos de projeto e os custos indiretos de fabricação, seguidos por uma discussão sobre a transformação do ecossistema de semicondutores ao longo dos últimos cinquenta anos.

Custos de design Projetar CIs avançados é um empreendimento cada vez mais complexo e oneroso. Cada chip deve passar por arquitetura e qualificação de IP, verificação de projeto, projeto físico, licenciamento de software (EDA), prototipagem e validação antes de poder ser enviado para fabricação (McKinsey & Company, 2020). Nos estágios iniciais da indústria de semicondutores, os custos de design eram amplamente impulsionados pela falta de padrões e ferramentas universalmente aceitos. A maioria das empresas desenvolvia suas ferramentas de software internamente, aumentando os custos de treinamento de talentos e dificultando a integração com componentes projetados por outras empresas. Para enfrentar esses desafios, as empresas de automação de projeto eletrônico (EDA) começaram a desenvolver ferramentas para automatizar o processo de projeto e impulsionaram a adoção de linguagens universais de descrição de hardware (HDL)

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como VHDL e Verilog, que ajudaram a "modular" o fluxo de projeto para que pudesse ser melhor direcionado para investimentos adicionais e permitiram que as empresas de projeto construíssem sistemas maiores em níveis de abstração agregados e mais gerenciáveis (como C++ em vez de linguagem assembly) (Nenni & McLellan, 2014). A separação entre casas de design e fornecedores de ferramentas EDA aumentou a eficiência, reduziu os custos de design e reorganizou as empresas para melhor se alinharem às suas competências essenciais em software e hardware. Uma empresa avançada de semicondutores analógicos poderia concentrar todos os seus gastos de P&D no desenvolvimento de expertise em design analógico usando ferramentas EDA licenciadas e prontas para uso, em vez de desenvolver ferramentas personalizadas internamente. A indústria de EDA atual é dominada por grandes empresas como Cadence, Synopsys e Mentor Graphics, com portfólios de ferramentas abrangentes que cobrem o fluxo de design de ponta a ponta. Os softwares de EDA e de projeto representam quase 50% dos gastos com projeto e continuam sendo importantes impulsionadores do aumento dos custos de projeto (Venture Outsource, s.d.). Para dimensionar a crescente influência da EDA, basta olhar para o tamanho das próprias empresas de EDA. A gigante de EDA Synopsys, por exemplo, não fabrica nenhum silício de fato, mas tem um valor de mercado acima de US$ 50 bilhões, aproximadamente o tamanho da Ford Motor Company (Yahoo! Finance, 2021). Durante a década de 1980, a maioria dos circuitos integrados tinha porte e complexidade médios. Para criar um produto totalmente funcional, empresas de sistemas compravam diferentes tipos de chips e os integravam ao seu dispositivo soldando-os a uma PCB ou outro dispositivo de conexão. À medida que a tecnologia de semicondutores se tornou mais avançada e as empresas de sistemas buscaram níveis mais altos de integração, a demanda por sistema em um chip (SoCs) disparou. Os SoCs permitiram que as empresas colocassem todos os componentes funcionais tradicionalmente separados (memória, processador etc.) em um único chip. À medida que a necessidade de integração mais estreita aumentou, aumentou também a complexidade de cada componente do sistema, tornando o design ainda mais difícil e caro. Para reduzir a complexidade e conter os custos, empresas de IP de semicondutores começaram a florescer. As empresas de IP fizeram duas coisas para reduzir a complexidade de design – (1) ofereceram designs base de módulos comuns que poderiam ser usados como fundamento para um circuito específico de aplicação e (2) ofereceram bibliotecas de células que poderiam ser usadas por projetistas de circuitos para gerar designs ainda mais complexos. Em troca de taxas iniciais de licenciamento, royalties por produto ou assinaturas de acesso às bibliotecas, as empresas de design poderiam adquirir rapidamente as partes não diferenciadas de um novo projeto e concentrar seus esforços nas partes que tornavam seu chip único. As bem-sucedidas empresas de IP de semicondutores hoje se enquadram em uma de três categorias – microprocessadores como os oferecidos pela ARM Holdings, arquiteturas de comunicação que permitem que diferentes partes de um SoC se comuniquem entre si, como as oferecidas pela Arteris, e IP analógico, que se tornou cada vez mais difícil de projetar a cada nó de processo sucessivo. As empresas de IP nessas três áreas continuam a desempenhar um papel importante em manter os custos de design sob

O futuro dos semicondutores e dos sistemas eletrônicos À medida que os transistores continuam a encolher, torna-se inevitável enfrentar suas limitações físicas. “Máscaras” litográficas só conseguem gravar padrões até certo ponto, e moléculas, afinal, só podem ser divididas um número limitado de vezes. Ainda assim, a duplicação do poder computacional a cada 18-24 meses, como previu Moore, não precisa acabar tão cedo. Ao longo dos anos, você poderia ter ganhado muito dinheiro apostando contra todos os prognosticadores que anunciavam o “fim da Lei de Moore. Atualmente, há muitas áreas de pesquisa promissoras, tanto dentro das arquiteturas tecnológicas existentes quanto em novas fontes de poder computacional, que sustentarão o avanço tecnológico da indústria de semicondutores por muitos anos.

Prolongando a Lei de Moore – tecnologias sustentáveis Dentro da engenharia de silício tradicional, o foco renovado deslocou-se de reduzir o tamanho dos componentes para melhorar a eficiência e a integração de projeto, além de explorar novos materiais e métodos de design para prolongar nossa capacidade de acompanhar a previsão de Moore. Isso pode ser observado no investimento consistente da indústria em Pesquisa e Desenvolvimento, ficando atrás apenas de farmacêuticas e biotecnologia como porcentagem das vendas. Empilhamento de chips 2,5D e 3D é uma tecnologia promissora já em uso em memórias e em certas aplicações de processamento, que permite aos projetistas de hardware colocar vários chips uns sobre os outros, conectados por um fio metálico chamado de interconexão através do silício (TSV). Vimos exemplos de empilhamento de chips nas Figuras 5-2 e 6-13. Ao construir para cima em vez de para os lados, a taxa de transferência de dados entre

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os chips é muito melhorada, os custos são reduzidos, a energia é conservada e o espaço é preservado, permitindo que mais transistores caibam em um determinado substrato. Embora promissora, a tecnologia 2,5D/3D aumenta significativamente a complexidade dos projetos existentes. Empilhar centros de processamento distintos uns sobre os outros pode viabilizar integração mais estreita e elevar o desempenho do sistema, mas exigirá esquemas de fluxo de dados e arquiteturas de sistema muito mais intrincados. O custo para projetar um SoC de 3 nm já fica entre US$ 500 milhões e US$ 1,5 bilhão, segundo a empresa de pesquisa e consultoria IBS (International Business Strategies) (Lapedus, 2019). A lógica empilhada, sem dúvida, aumentará ainda mais os Custos de design, embora aplicações de alto desempenho, como IA, provavelmente continuem a impulsionar a demanda por arquiteturas de sistema cada vez mais complexas. Para escalar tais técnicas de design, serão necessárias novas ferramentas de desenvolvimento que abranjam todos os aspectos do fluxo de design. Isso apresenta desafios únicos para as empresas de EDA, que estão mais bem preparadas para resolver problemas específicos em etapas individuais do design. Transistores gate-all-around (GAA) e novos materiais de canal são o próximo passo promissor na evolução da tecnologia de transistores e oferecem o caminho mais concreto para prolongar o Escalonamento geométrico. A partir de suas raízes na década de 1960, Transistores planares foram a estrutura de transistor dominante até cerca de uma década atrás. No nó de processo de 20nm e abaixo, os transistores planares sofrem com uma severa fuga de corrente, vazando corrente mesmo quando desligados e aumentando significativamente o consumo de energia do sistema. A partir de 2011, esses dispositivos planares foram descontinuados em favor de FinFET na maioria dos CIs avançados (Lapedus, 2021). Em vez de controlar o fluxo de corrente da fonte ao dreno em um plano 2D, FinFET deslocam a estrutura de gate para abranger o canal em três dimensões, o que reduz problemas de fuga e permite maior controle em tensões mais baixas (Lapedus, 2021). Nos transistores FinFET, entretanto, a base do canal ainda é conectada ao substrato de silício subjacente, o que permite que alguma corrente vaze mesmo quando o transistor está desligado (Ye et al., 2019). À medida que as fábricas se aproximam dos nós de processo de 3 nm e 2 nm, as questões de fuga tornaram-se novamente críticas. Com controle de porta em quatro dimensões, os transistores nanowire e nanosheet gate-all-around (GAA) visam solucionar esses problemas. Os transistores GAA envolvem completamente as passagens do canal com uma estrutura de porta vertical, alcançando maior controle e resolvendo muitos dos problemas de fuga dos FinFETs (Lapedus, 2021). Novas tecnologias CMOS estão cada vez mais caras em nós menores, e a tecnologia de processo necessária para implementar transistores GAA não é diferente. Os transistores GAA apresentam desafios únicos de deposição e gravação que provavelmente exigem novos materiais de canal, como silício-germânio tensionado (SiGe), mobilidade de elétrons (Angelov et al., 2019). Podemos ver as diferenças estruturais entre transistores planares, FinFET e GAA ilustradas na Figura 10-1.

Conclusão

Estamos vivendo tempos tecnologicamente extraordinários, e o potencial do que pode ser realizado nunca foi tão grande. Aqueles de nós que vivenciaram essa notável revolução não devem esquecer a era que testemunhamos. Não é diferente do homem nascido em meados do século XIX, que cresceu montando a cavalo em trilhas lamacentas e terminou a vida dirigindo um Modelo T. Dos processadores descomunais da década de 1950 que podiam ocupar uma pequena casa aos pseudo-supercomputadores que cabem em nossos bolsos, nós também podemos encontrar nosso ponto final em um mundo muito diferente daquele em que começamos. Quer você participe diretamente da indústria de eletrônicos, trabalhe em uma área relacionada ou seja simplesmente uma pessoa curiosa em busca de informações sólidas sobre a tecnologia fundamental que move nosso mundo, entender como os semicondutores são projetados, fabricados e integrados a sistemas pode ser estimulante, esclarecedor, divertido e valioso. No entanto, para um tema tão complexo, pode ser frustrantemente difícil formar uma base de compreensão sem uma formação formal em engenharia elétrica. Meu propósito ao escrever este livro foi oferecer um caminho claro para esse conhecimento, entrelaçando anos de pesquisa meticulosa para que qualquer pessoa – seja você um especialista ou alguém que não saiba distinguir silício de massinha – possa compreender a tecnologia de semicondutores. Eu esperava alcançar esse objetivo fornecendo explicações claras e visualmente atraentes de conceitos técnicos, aprofundando-os o suficiente para desenvolver uma compreensão ampla e holística de semicondutores, sem se perder na vasta teia de nuances teóricas. Se tive sucesso nisso, foi apenas graças à ajuda de meus próprios professores e guias. Se fiquei aquém, não foi por falta de esforço. Obrigado por ler e que o seu próprio caminho pelo mundo dos semicondutores continue a lhe agradar.

SEMICONDUTORES CHIPS ■ ELETRÔNICA ■ TRANSISTORES ■ CIRCUITOS INTEGRADOS ■ INDÚSTRIA DE TECNOLOGIA ■ ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

CONTEÚDO

RICHARD

CONHEÇA OUTROS TÍTULOS SOBRE ENGENHARIA E MATERIAIS

Prefácio Introdução 1. Noções básicas de semicondutores 2. Blocos de construção de circuitos

3. Construindo um sistema

4. Fabricação de semicondutores 5. Integrando o sistema 6. Circuitos comuns e componentes de sistemas 7. RF e tecnologias sem fio

— Brian Santo – Aspencore Global Managing Editor, EETimes Editor-in-Chief

8. Arquitetura do sistema e integração 9. A indústria de semicondutores – passado,

SEMICONDUTORES

presente e futuro 10. O futuro dos semicondutores e dos sistemas

eletrônicos Glossário Índice remissivo

Semicondutores Um guia técnico para não técnicos COREY RICHARD

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20/07/2026 11:42