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La palabra microelectrónica alude a la electrónica en tamaño “micro”, es decir, a la configuración miniaturizada de los circuitos electrónicos. Ahora bien, añadir sin más la referencia al reducido tamaño de los circuitos electrónicos no deja de ser una redundancia: el desarrollo de la electrónica se encuentra marcado, desde los años 50, por un continuado proceso de miniaturización, del cual deriva su propia funcionalidad (su capacidad de abordar eficazmente funciones complejas) y su viabilidad (mediante equipos de tamaño, consumo y coste reducido).

A partir de los años 80, algunos autores han aprovechado, en forma relativamente oportunista y confusa, el título de microelectrónica en textos de electrónica realizada con circuitos integrados estándar, en cuyo contexto el prefijo “micro” no aporta ninguna precisión porque no hay otro tipo de electrónica: carece de sentido práctico (y estaría fuera de contexto tecnológico) un diseño que no utilice los circuitos integrados disponibles.

El término microelectrónica, para que resulte significativo y conceptualmente relevante, debe ser entendido como la configuración del circuito electrónico completo, resultante de un diseño específico, en el interior de un solo circuito integrado. Ello supone pasar de la interconexión de circuitos integrados estándar a la configuración de un circuito integrado específico: se trata de insertar nuestro propio diseño completo en un integrado.

Es decir, en lugar del ensamblaje de microcircuitos genéricos (de catálogo) para configurar nuestro diseño, la microelectrónica trata de la realización de dicho diseño específico en un microcircuito particular; para lo cual disponemos de dos alternativas:

• programar nuestro diseño sobre un circuito integrado programable (CPLD, FPGA)
• o, fabricar dicho diseño como circuito integrado específico (ASIC).

Ambos casos (programación o fabricación del diseño) utilizan las mismas tecnologías de fabricación de los circuito integrados (proceso de integración CMOS), el mismo esquema de desarrollo del proceso de diseño, el mismo tipo de herramientas y las mismas consideraciones metodológicas a tener en cuenta.

Proceso de diseño

El proceso de diseño de un circuito integrado digital (en sus diferentes modalidades) se desarrolla sobre computador, en forma de tareas tipo CAD, para cuya ejecución se dispone de eficaces y potentes herramientas informáticas. Las herramientas que se utilizan para el diseño digital con circuitos programables y para el diseño de ASICs digitales son básicamente las mismas y se emplean de la misma forma, diferenciándose luego en la forma de compilar el diseño y en los resultados de tal compilación.

El diseño de un circuito integrado digital es básicamente un proceso de descripción del mismo, junto con la simulación de su comportamiento para verificar que el diseño es correcto, conforme a las especificaciones o requisitos del mismo.

1) Descripción del circuito

La descripción de un diseño microelectrónico puede hacerse a diferentes niveles, en particular, a nivel geométrico (layout), a nivel lógico (esquemático) o a nivel funcional (programa).

El nivel geométrico (layout) consiste en una descripción gráfica de las diferentes regiones físicas que conforman el circuito integrado (difusiones, polisilicio, metal, contactos,…), o sea, el dibujo que corresponde a las máscaras con las que se fabricará el integrado. Este nivel no tiene sentido en el diseño sobre circuitos integrados programables (pues ya están fabricados) y es propio y casi exclusivo de los circuito integrados estándar, cuyo alto volumen de producción justifica el esfuerzo de un diseño físico completo, en orden a minimizar la superficie de silicio de cada integrado y, con ello, su precio.

El nivel lógico (esquemático) consiste en la descripción gráfica del esquema circuital, es decir, en términos de puertas lógicas y biestables, adecuadamente conectadas. En un principio, fue la forma habitual de diseño CAD (apoyado y almacenado en un computador).

El nivel funcional (programa) consiste en la descripción textual del comportamiento del circuito en un lenguaje de descripción hardware (HDL), es decir, mediante un programa que detalla el funcionamiento de las diversas partes del circuito y la conexión entre ellas. Hoy día, ha sustituido (casi por completo) al nivel lógico como forma habitual de diseño CAD ya que ofrece una descripción funcional precisa, carente de ambigüedades, estructurada y de fácil lectura, que hace que quien lea esa descripción sea capaz de comprender, con poco esfuerzo y absoluta claridad, las funciones que hace el circuito y cómo las hace; sin tener que descender al nivel booleano de puertas y biestables que, por su mayor amplitud en componentes, resultaría más difícil de analizar. Actualmente, son dos los lenguajes de descripción circuital que se han impuesto como estándares para el diseño digital: VHDL y Verilog; y, de entre ellos, en el contexto europeo predomina el VHDL (si bien Verilog resulta, en buena medida, más cercano al hardware y a los esquemas gráficos que se utilizaban anteriormente).

2) Simulación de su comportamiento

En todos los niveles es preciso comprobar que el diseño es correcto, a través de la simulación de su comportamiento.

En el nivel geométrico, se utilizan simuladores eléctricos, en particular el simulador SPICE, extrayendo previamente, sobre el layout, los transistores y los componentes capacitivos y resistivos presentes.

En el nivel lógico, se emplean simuladores lógico-temporales que actúan en términos de funciones booleanas y de retrasos temporales (tiempos de propagación).

En el nivel funcional, los lenguajes de descripción circuital ofrecen simuladores del comportamiento del circuito, tal como queda descrito en dichos lenguajes.

Una vez el diseño microelectrónico se encuentra descrito y simulado correctamente, ha de ser compilado sobre un dispositivo programable o sobre un ASIC.

3) Verificación del diseño

Al culminar el proceso de fabricación, sobre cada circuito integrado se aplica el procedimiento del test para comprobar que dicho ejemplar (cada chip individual) se ha fabricado bien, es decir, que todas las celdas que configuran el circuito han sido integradas correctamente de forma que el resultado físico coincide con el esquema circuital resultante del diseño.

No se trata de verificar que el funcionamiento “normal” del circuito es el deseado sino de comprobar que todos y cada uno de los transistores han sido fabricados y conectados correctamente. Que el diseño es correcto queda garantizado, en la misma etapa de diseño, por la simulación; con el test de lo que se trata es de garantizar, para cada uno de los circuitos integrados, que tal diseño ha sido fabricado correctamente, es decir, que cada uno de los circuitos físicos obtenidos (chips) corresponde exactamente al diseño.

Autor: Rubén Clavero