Científicos de la UIB diseñan métodos que puedan verificar en un

Científicos de la UIB diseñan métodos que
puedan verificar en un tiempo mínimo el buen
funcionamiento de un circuito integrado
El Grupo de Tecnología Electrónica desarrolla sistemas de verificación
estructural que puedan sustituir los lentos test funcionales utilizados en
telefonía móvil para los componentes analógicos. Los investigadores
quieren diseñar un circuito que sea capaz de auto verificarse
Resumen
telefonía inalámbrica, en los que coexistirán
componentes analógicos y digitales en un mismo
Simplificar los métodos de verificación de circuitos
circuito integrado. Hasta hoy los métodos de
integrados es el objetivo esencial de la investigación
verificación de los componentes analógicos son
que lleva a cabo el Grupo de Tecnología Electrónica
básicamente funcionales, es decir, se basan en
de la UIB, esto es, establecer sistemas que, en un
comprobar que realmente funciona cada aparato,
tiempo y un coste mínimos, puedan garantizar la
métodos por tanto que consumen mucho tiempo y que
fiabilidad de estos circuitos. En la actualidad el reto de
encarecen notablemente el producto. El grupo
los investigadores que conforman este grupo del
desarrolla sistemas de verificación estructural que
Departamento de Física es el diseño de métodos de
puedan sustituir a los actuales métodos. Al mismo
verificación para la próxima generación de aparatos de
tiempo, los investigadores trabajan en el diseño de un
PALABRAS CLAVE:
circuitos integrados,
verificación, CMOS,
RF
KEYWORDS:
Integrated circuits,
Test, CMOS, RF
sistema de verificación que se pueda integrar en el
integrado es una especie de cápsula donde se ubican
propio circuito, consiguiendo así circuitos capaces de
todos los componentes electrónicos necesarios para
auto verificar su buen funcionamiento.
realizar una función: transistores, resistencias, diodos,
etc. El primer chip fue desarrollado por Jack St. Clair
Kilby, ingeniero de la Texas Instruments. Kilby recibió
Introducción
La aparición de circuitos integrados o chips a
principios de la década de los sesenta permitió el
desarrollo de lo que se conoce como tercera
generación de ordenadores. Fue entonces cuando
empezó la miniaturización, gracias a la cual se
consiguió entre otras ventajas un inferior consumo
energético y una mayor fiabilidad.
Esa tercera generación de ordenadores utilizaba
en el año 2000 el Premio Nóbel de Física.
Del primer circuito que integraba seis
transistores sobre una misma base de
semiconductor, hemos pasado, tal
como había profetizado Gordon
Moore, a circuitos no más grandes
que la uña del dedo meñique, capaces
de integrar más de cuatrocientos
millones de transistores
todavía circuitos integrados SSI y MSI, es decir, de
bajas y medianas escalas de integración. Aún así se
acababa de iniciar un nuevo camino, cuyas
expectativas supo sintetizar Gordon Moore en 1965
De aquel primer circuito que integraba seis transistores
cuando se dio cuenta de que el número de transistores
sobre una misma base de semiconductor, tal como
en un chip se duplicaba cada 18-24 meses. Esta
había profetizado Gordon Moore, hemos pasado a
observación es conocida como la ley de Moore.
circuitos no más grandes que la uña del dedo
meñique, capaces de integrar más de cuatrocientos
Digamos, de manera introductoria, que un circuito
Imagen obtenida
al microscopio
de un circuito
integrado
desarrollado por
el Grupo de
Tecnología
Electrónica de la
UIB.
millones de transistores. La evolución de este proceso
de integración durante cuarenta años queda reflejada
sus componentes. Eso supondría un tiempo de
en la manera en que son clasificados los circuitos
verificación excesivo. Por regla general, el test se
integrados, en función del número de componentes
realiza automáticamente mediante una maquinaria
que integran: de los SSI (Small Scale of Integration) o
expresamente diseñada para esa labor. Dependiendo
los MSI (Medium Scale of Integration) que no
de la calidad del producto y de su precio, la
sobrepasan los cien componentes, hasta llegar a los
verificación puede realizarse sobre una muestra
VLSI (Very Large Scale of Integration) y los ULSI (Ultra
aleatoria de cada serie producida o bien sobre sobre
Large Scale of Integration), capaces de contener más
todos y cada uno de los productos (es lo
de veinte millones de transistores que operan a
acostumbrado, por ejemplo, en el caso de circuitos
velocidades extremadamente elevadas.
para satélites).
De hecho, con el circuito de Kilby había nacido una
nueva disciplina científica y tecnológica: la
Se precisan técnicas que permitan la verificación del
microelectrónica, ahora ya nanoelectrónica.
buen funcionamiento de todo el circuito en un tiempo
muy breve, en cuestión de segundos, si no se quiere
encarecer todo el proceso productivo. Eso sólo puede
Los problemas asociados a la miniaturización
conseguirse mediante el llamado test de puntos clave
del sistema, cuyo estado nos informe del estado de las
distintas partes de ese sistema. Dicho en otras
El coste de fabricación de este tipo de circuitos se ha
reducido considerablemente ya que puede ser
automatizada. Aun así, un tercio de ese coste
corresponde a la verificación. Y es que la
miniaturización lleva aparejada una serie de problemas
asociados a las propiedades y a la degradación de los
materiales utilizados en la construcción de los circuitos
(metal, óxido, semiconductor). Nos hallamos pues
ante un amplio abanico de problemas en cuya
resolución trabajan un buen número de equipos de
investigación en todo el mundo: las corrientes de fuga
(Stress Induced Leakage Current, SILC); las pérdidas
de capacidad aislante del óxido, conocidas también
como roturas, etc.
El grupo de Tecnología Electrónica del Departamento
de Física de la UIB, dirigido por el doctor Eugeni
Garcia, focaliza su investigación hacia el diseño
experimental de circuitos integrados y muy
especialmente hacia el desarrollo de sistemas de
verificación que puedan ser aplicables a la industria.
Tal como afirma el doctor Eugeni Garcia, "para un
fabricante es esencial poder garantizar la fiabilidad de
sus productos y, en estos momentos, la verificación de
este tipo de circuitos se ha convertido en todo un reto
ya que al aumentar la complejidad también se
complica esa verificación".
Resulta evidente que la tarea de verificar estos
circuitos no puede basarse en comprobar cada uno de
Fig. 1 El doctor
Eugeni Garcia
ante la máquina
de puntas,
dotada de
micromanipulado
res y
microscopio.
secuencia de entradas para trasladar el voltaje desde
ese punto a uno de los pads externos (observación) i
así poder compararlo con el valor esperado. Como
que a cada nueva generación de chips la relación
entre los puntos internos a medir y el número de pads
crece, los problemas de verificación se agravan.
La labor que desarrolla el grupo dirigido por el doctor
Eugeni Garcia es precisamente esta: diseñar y
construir prototipos de circuitos integrados que
incorporen los puntos clave necesarios para que la
verificación sea segura y, al mismo tiempo, rápida.
La verificación en telefonía inalámbrica de última
generación
palabras: cualquier disfunción en el circuito es
detectada por una disfunción en un punto clave
determinado.
Desde la década de los setenta hasta principios de los
La verificación se realiza midiendo la tensión de las
telefonía inalámbrica llamados de primera generación.
conexiones externas (pads) del xip situadas en la
Arriba y abajo:
miembros del
Grupo de
Tecnología
Electrónica en el
laboratorio del
edificio Mateu
Orfila i Rotger,
en el campus de
la UIB
periferia. Las reducidísimas dimensiones de los pads
obligan a utilizar maquinaria dotada de
micromanipuladores y adicionalmente de un
microscopio, lo que comúnmente es conocido como
noventa dominaron el mercado los sistemas de
Estos teléfonos utilizaban tecnologías analógicas para
transmitir información. Como es sabido, una señal se
dice que es analógica cuando sus magnitudes se
representan mediante variables continuas, sin saltos
bruscos de los valores en un intervalo de tiempo
máquina de puntas. (Fig. 1 )
determinado. De hecho, las magnitudes son
El proceso de verificación de cada punto clave implica
nos ocupa un emisor de radio frecuencia. La irrupción
dos etapas. En primer lugar se aplica a los pads del
circuito una determinada secuencia de valores para
conseguir que el voltaje en este punto tenga un valor
determinado (control). En segundo lugar se aplica otra
"análogas" a las que generan la señal, en el caso que
de la tecnología digital en la telefonía móvil supuso
una serie de ventajas entre ellas el aumento de
prestaciones y de portabilidad. Pronto empezaron a
coexistir componentes analógicos y componentes
digitales en un mismo aparato. En los últimos años, sin
embargo, la tendencia es integrar la totalidad de los
componentes en el mismo chip.
El futuro de la telefonía inalámbrica pasa, por tanto,
por la utilización de la tecnología CMOS VLSI
(Complementary Metal Oxide Semiconductor Very
Large Scale of Integration), que permite un menor
consumo y una mayor inmunidad al ruido. Esta nueva
tecnología tendrá que integrar tanto los componentes
digitales como los analógicos. Ahora bien, mientras la
verificación en circuitos integrados digitales recordemos que una señal digital responde a
magnitudes físicas limitadas por valores discretos. Por
ejemplo, en los ordenadores la información se codifica
en un sistema binario 0,1 - está relativamente
desarrolla un sistema de test no funcional, sino
desarrollada, no pasa lo mismo en el caso de los
estructural a imagen de los test en base a puntos
circuitos analógicos.
clave desarrollados para circuitos digitales. De esta
manera, la verificación de una tara estructural del
El Grupo de Tecnología Electrónica de la UIB ha
circuito informa de la disfuncionalidad. La sustitución
centrado precisamente su investigación en desarrollar
de la verificación funcional por la estructural supondría
sistemas de verificación para circuitos de telefonía
un gran ahorro económico.
móvil fabricados con tecnología CMOS VLSI que
integren, junto con los componentes digitales también
componentes analógicos, por ejemplo las primeras
etapas de un receptor de radiofrecuencia.
Los investigadores intentan adaptar técnicas de
verificación ya suficientemente exploradas en circuitos
digitales a esos circuitos analógicos integrados en
CMOS. En síntesis, el grupo intenta permutar los
actuales métodos de verificación de circuitos
analógicos, básicamente funcionales, por métodos
Hasta hoy, la verificación de circuitos
analógicos de radiofrecuencia
consiste en comprobar la recepción
de la señal, la corrección del
consumo, controlar el nivel de ruido,
etc. Se trata en definitiva de un
muestreo de variables continuas, muy
lento y laborioso, porque en realidad
debe hacerse funcionar cada circuito
estructurales
Hasta hoy, la verificación de circuitos analógicos de
radiofrecuencia consiste en comprobar la recepción de
la señal, la corrección del consumo, controlar el nivel
El grupo también trabaja en el diseño de sensores
de ruido, etc. Se trata en definitiva de un muestreo de
integrados en el mismo chip para medir las variables
variables continuas, muy lento y laborioso, porque en
de test en los puntos clave (internos). Al final aquello
realidad debe hacerse funcionar cada circuito.
que se quiere conseguir es un circuito que se capaz
de verificarse a si mismo.
El grupo de Tecnología Electrónica de la UIB
Dos integrantes
del grupo de
Tecnología
Electrónica de la
UIB en el
laboratorio.
Proyecto financiado
Título: Desarrollo de nuevas estrategias de test para circuitos integrados CMOS RF.
Referencia: TIC2003-01075.
Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia y Tecnología.
Modalidad: Tecnologías de la información y las comunicaciones.
Acrónimo: DET-CIRF.
Periodo: 2003 - 2006.
Investigador responsable
Dr. Eugeni García Moreno, catedràtico de Universidad de Tecnología Electrónica.
Grup de Tecnología Electrónica. Departamento de Física.
Edificio Mateu Orfila i Rotger
Tel. 971 17 32 31
E-mail: eugeni.garcia@uib.es
Otros miembros del equipo
Dr. Sebastià A. Bota Ferragut, profesor titular de Universidad de TE
Dr. Eugeni Miquel Isern Riutort, profesor titular de Universidad de TE
Dr. Miquel Roca Adrover, profesor titular de Universidad de TE
Dr. Jaume segura Fuster, profesor titular de Universdad de TE
Dr. Josep Lluís Rosselló Sanz, profesor titular de Escuela Universitaria de TE
Sr. Joan Font Rosselló, profesor titular de Escuela Universitaria de TE
Sr. Óscar Alberto Calvo Ibáñez, profesor titular de Escuela Universitaria de TE
Sr. Rodrigo P. Picos Gayà, profesor colaborador
Sra. Dèbora Coll Mayor, profesora colaboradora
Instituciones y entidades colaboradoras
Etienne Sicard, INSA Toulouse
Sonia Delmas-Bendhia, INSA Toulouse
José Antonio Sainz Gómez, Universidad del País Vasco
Luís Ángel Aguado Rodríguez, Universidad del País Vasco
José Miguel Gil-García Leiva, Universidad del País Vasco
Fernando Oterino Echávarri, Universidad del País Vasco
Jesús M. Sánchez Etchegaray, Universidad del País Vasco
Webs de interés
http://www.uib.es/depart/dfs/GTE/index.html#
Página del Grupo de Tecnología Electrónica
Publicaciones (2002-2003)
Font, J.; Ginard, J.; Picos, R.; Roca, M.; Isern, E.; Segura, J. y García, E. 'A BICS for CMOS OpAmps by
Monitoring the Supply Current Peak'. Journal of Electronic Testing-Theory and Applications. Vol. 19, pp 597-603,
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Font, J.; Picos, R.; Isern, E.; Roca, M. y García, E. 'A New BICS for CMOS Operational Amplifier by using
Oscillation Test Techniques'. Microelectronics Journal. Vol. 34. núm.10, pp. 919-926, 2003
Moll, F.; Roca, M.; Isern, E. 'Analysis of dissipation energy of switching digital CMOS gates with coupled outputs'.
Microelectronics Journal. Vol.34. pp. 833- 842, 2003
Font, J.; Ginard, J.; Isern, E.; Roca, M.; Segura, J.; Garcia, E. 'Oscillation-test technique for CMOS operational
amplifiers by monitoring supply current'. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, Vol.33, pp.213-224.
2002
Comunicaciones a congresos (2002-2003)
Picos, R.; Isern, E.; Bota, S.A.; Roca, M. y Garcia, E. 'A Built-in current sensor with configurable capability'. XVIII
Conference on Design of circuits and Integrated Systems Electronics (DCIS'03). 2003
Picos, R.; Font, J.; Isern, E.; Roca, M. y García, E. Títol: 'A configurable Built-in Current Sensor for Mixed-Signal
Circuit Testing'. IEEE IOLTS. 2003
Font, J.; Ginard, J.; Isern, E.; Roca, M.; Segura, J.; Garcia, E. 'Voltage and current testing of CMOS operational
amplifiers by using the oscillation- test technique'. IEEE International Mixed-Signal Test Workshop, pàg. 31-37,
Montreux (Suïssa), Juny 2002.
Font, J.; Ginard, J.; Isern, E.; Roca, M.; Segura, J.; Garcia, E. 'A BICS for CMOS Opamps by Monitoring the
Supply Current Peak'. IEEE International On-Line Testing Workshop, pàg. 94-98, Ille de Bendor (França), Juliol
2002.