No mundo digital de hoje, nossa vida é cercada por Sistemas Embarcados. Desde preparar seu café da manhã até fazer seu café da manhã no micro-ondas, dirigir seu carro (com seus recursos digitais inteligentes), chegar ao escritório onde você pega um elevador para chegar à sua mesa inteligente (ajustável automaticamente).
Sistemas, Incorporados em Nossa Vida
A partir da mesa auto-ajustável, você usa seu laptop para trabalhar até diga ao Alexa para desligar suas lâmpadas inteligentes e ir para a cama – o tempo todo usando seus smartphones.
Bem-vindo ao mundo dos Sistemas Embarcados.
Os dispositivos que você usa estão ficando menores, mais rápido e mais inteligente a cada dia. Tudo está acontecendo devido ao seu menor componente, um “Chip” semicondutor embutido dentro do dispositivo. Esses microchips são menores que nossas unhas. Além disso, quase todos os dispositivos embarcados modernos usam esses microchips. É difícil até imaginar um mundo sem eles.
O “Cérebro” no Sistema
Os componentes dos sistemas embarcados consistem em Sensores para capturar os sinais de entrada, um Processador (Microcontrolador ou “Lógica”) para gerenciar os sensores, uma memória para armazenar os dados e um atuador ou dispositivo de saída para acionar ou capturar os resultados sem problemas. É muito parecido com o nosso corpo humano. Temos sensores (como ouvidos, nariz, olhos, etc.), um “cérebro” para processar e memorizar, e o resto de nossos corpos que reagem.
O “Chip” semicondutor (Microcontrolador, Processador e Memória) é o “Cérebro” dos sistemas embarcados. Esses chips semicondutores são classificados como “Lógica” (também conhecidos como Processadores) e “Memória”.
As tecnologias mais recentes (como IoT, Machine Learning, Inteligência Artificial, Big Data e computação em nuvem) usam algoritmos complexos e precisam de um processador de alta velocidade e memória.
A velocidade de computação e os requisitos de memória estão aumentando rapidamente de supercomputadores para smartphones. O primeiro supercomputador, CDC (Control Data Corporation-6600), tinha uma velocidade máxima de 40 MHz, o que é dolorosamente lento no mundo de hoje.
A primeira versão de um Raspberry Pi (o mais microcontrolador simples, custando menos de US$ 50) tem um processador de 700 MHz. MHz é a velocidade do ‘clock’ de um processador. Um milhão de decisões tomadas em um segundo é um MH. O supercomputador mais recente pode calcular 200.000 trilhões de cálculos por segundo. O iPhone-13 usa um chip processador A15 Bionic com 15 bilhões de transistores.
Isso também se aplica para computadores pessoais e laptops. Em 27 de outubro de 2021, a Intel anunciou sua família de processadores de 12ª geração, “Core i9-12900K”, o melhor processador para jogos (5,2 GHz), com até 16 núcleos e 24 threads. Os novos processadores de desktop alcançam novos patamares de desempenho multithread para jogadores entusiastas e criadores profissionais.
Evolução da computação de próxima geração
A evolução dos chips semicondutores avançados ajuda os dispositivos a alcançar algoritmos de ponta. Esses algoritmos complexos existem há décadas. No entanto, eles não puderam ser implementados em toda a sua extensão no mundo real devido à falta de ferramentas computacionais especializadas.
Um dos mais revolucionários conceitos de processamento de sinais, a “Transformada de Fourier” ( incluído no Top 10 Algorithms of 20th Century pelo IEEE) e um dos algoritmos mais críticos usados em processamento de imagem e telecomunicações, existe há muito tempo.
A Transformada de Fourier foi discutida pela primeira vez em 1805. É uma função matemática que transforma um sinal do domínio do tempo para o domínio da frequência. É uma transformação muito poderosa que lhe dá a capacidade de entender as frequências dentro de um sinal.
No entanto, devido à falta de ferramentas computacionais aprofundadas, os cientistas não puderam explorá-la mais ( até ~1970) ou usá-lo em qualquer sistema comercial. Mas agora, é amplamente utilizado no processamento de imagens e processamento de sinais em muitos sistemas comerciais e críticos (incluindo RADAR e SONAR).
Está tudo acontecendo aqui, Lei de Moore
Gordon Earle Moore é um engenheiro americano e cofundador e presidente emérito da Intel Corporation. Em 1965, ele escreveu a lei de Moore e, usando dados existentes, extrapolou que o número de transistores em circuitos integrados (CI) dobraria a cada dois anos com a redução de custos. processo de fabricação de semicondutores (especialmente as máquinas de litografia) mantêm viva a lei de Moore. Nas últimas décadas, esses chips estão ficando mais condensados, eficientes e econômicos com um número crescente de transistores fabricados em um único chip monolítico, e a tendência continua.
fonte: https://www.singularitysymposium.com/moores-law.html
As tecnologias mais recentes evoluem em paralelo com as evoluções do “Chip” de semicondutores. Como resultado, o mundo dos sistemas embarcados está ficando avançado, inteligente e mais acessível.
A revolução da tecnologia de semicondutores produz processadores de alta velocidade e alta computação e chips semicondutores de memória de acesso mais rápido. Essas revoluções são a razão por trás do sucesso das mais recentes tecnologias, incluindo smartphones.
O sucesso se deve ao fato de que a necessidade de algoritmos de processamento de sinal críticos e otimizados evoluiu o conceito de “System on Chip” ( SoC), onde todos os algoritmos de processamento de sinais digitais e analógicos são feitos dentro do próprio hardware (chip semicondutor).
O SoC conseguiu tornar os sistemas embarcados mais eficientes. Além disso, esses SoC ajudaram tremendamente a superar problemas de incompatibilidade, integração e confiabilidade de rede em IoT, especialmente em conectividade sem fio e recursos 5G.
Esses avanços em chips semicondutores impactaram significativamente nossos vida. Sua contribuição para a ciência médica, desde o termômetro sem contato mais simples até os sofisticados dispositivos que salvam vidas, é vasta. Esses avanços causaram um tremendo impacto no mundo médico.
A escassez de chips, um problema atual
Nos últimos anos, o mundo testemunhou uma digitalização em alta velocidade e, ainda mais impulsionada pela pandemia, um grande aumento na demanda por laptops, smartphones, automóveis e servidores. Infelizmente, isso levou a um problema significativo: a falta de chips que controlam tudo.
Além disso, as tecnologias em evolução são mais exigentes, criando a necessidade de processadores menores e mais rápidos e mais memoria disponivel. É quase um problema de galinha e ovo que funciona para atender às necessidades de produção.
A atual pandemia impactou a fabricação de semicondutores de uma maneira sem precedentes. No entanto, os dispositivos integrados inteligentes ajudaram a manter a vida. Nossos filhos continuaram seus estudos remotamente usando livros cromados, câmeras e fones de ouvido, e muitos funcionários continuaram trabalhando remotamente sem problemas.
O papel dos scanners de temperatura sem contato, rastreamento inteligente de contatos usando dados móveis, e outras tecnologias desempenharam um papel fundamental na contenção da disseminação do COVID-19. Sem esses dispositivos de sistemas integrados inteligentes, nossa vida poderia ter sido muito pior nos últimos anos.
A Jornada e a Evolução do Chip Semicondutor
A jornada do chip semicondutor começou com os “tubos de vácuo”. Computadores antigos usavam tubos de vácuo. Um tubo de vácuo é um tubo de vidro com eletrodos para controlar o fluxo de elétrons, atuando como um interruptor ou amplificador.
Em 1947, a Universidade da Pensilvânia fez um computador usando tubos de vácuo quase do tamanho de um prédio. Nos anos seguintes, os cientistas William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain colaboraram para inventar transistores, para substituir o tubo de vácuo, oferecendo uma maneira mais eficaz para o computador processar informações.
Fonte: https://www.hitachi-hightech.com/global/products/device /semiconductor/history.html
A invenção dos “Transistores” foi um grande marco e revolucionou a tecnologia de semicondutores. Além disso, ajudou a tornar os circuitos integrados menores, mais rápidos e mais acessíveis. Os grandes pesquisadores “Shockley”, “Bardeen” e “Brattain” deram uma contribuição considerável para a pesquisa de semicondutores e o desenvolvimento do transistor e receberam o Prêmio Nobel de Física em 1956.
Esses transistores começaram a ser usados nos Circuitos Integrados, também chamados de “circuitos microeletrônicos”, “microchips” ou “chips”. unidade única, na qual dispositivos ativos miniaturizados (por exemplo, transistores e diodos) e dispositivos passivos (por exemplo, capacitores e resistores), juntamente com suas interconexões, são construídos sobre um substrato fino de material semicondutor (tipicamente silício).
O circuito resultante é, portanto, um pequeno “Chip” monolítico que conhecemos hoje.
Chip Manufacturing, Impossible is Past
Um chip é um conjunto de circuitos eletrônicos onde os transistores ligam ou desligam uma corrente. Os microchips são feitos construindo camadas desses padrões interconectados de transistores em uma pastilha de silício. Os chips monolíticos mais recentes podem suportar mais de 100 camadas contendo um bilhão de transistores cada, cada um alinhando atômico (nanômetro), que precisa se alinhar com precisão nanométrica (chamado ‘overlay’).
O O processo de fabricação desses chips semicondutores tem várias etapas. Usando vários processos de automação, pode levar meses desde o projeto até a produção em massa nas salas limpas das fábricas dos fabricantes de chips (instalações de fabricação). Existem quatro fases únicas na produção.
Fase de projeto: Projeto de circuito
Fase de Desenvolvimento: Circuito de impressão para uma pastilha de Silício
Fase Piloto: Critérios Críticos de Produção (com base na sobreposição, dimensões críticas, etc.) correspondência
Fase de produção em massa: O foco principal é maximizar o rendimento e minimizar a perda (falhas) para viabilidade
The Game Changer, EUV Litography
Litografia é quando uma fonte de luz é usada para imprimir pequenos padrões de dispositivos, incluindo transistores em silício. É um passo fundamental em um microchip de produção em massa. Máquinas de litografia onde o hardware encontra o software fornecem uma abordagem holística para padrões de produção em massa em silício. Esta máquina é uma das máquinas mais complexas do mundo, que evoluiu muito nas últimas décadas.
ASML (ASML Holding NV) é líder de mercado em litografia DUV (Deep Ultraviolet) e o único fabricante da próxima geração de máquinas de litografia EUV (Ultravioleta Extremo) no mundo.
Essas máquinas são tão complexas (quase do tamanho de um ônibus), com mais de 100.000 componentes e cerca de um quilômetro e meio de cabo, todos montados para fazer uma máquina de litografia gigante que custa mais de US$ 150 milhões por máquina.
A precisão dessas máquinas está na faixa de nanômetros. Por exemplo, a ASML usa máquinas DUV com uma precisão de cerca de 200 nanômetros de comprimento de onda. Existem apenas alguns fabricantes de DUV (Nikon e Canon) além da ASML.
Além disso, a ASML tem desempenhado um papel fundamental para atender à demanda desafiadora pelas tecnologias mais recentes e manter a lei de Moore vivo. Por exemplo, a máquina de litografia EUV da ASML é a máquina de litografia de alta resolução de última geração que fez uma mudança revolucionária ao alcançar um comprimento de onda de precisão de 10 nanômetros (quase raio-X), algo sem precedentes na maioria dos casos.
ASML investiu mais de 17 anos e aproximadamente 6 bilhões de euros em pesquisa e desenvolvimento na fabricação das máquinas de litografia EUV. Essas máquinas EUV fabricam microchips sofisticados. A máquina EUV está beneficiando diretamente todos os seres humanos.
Esses microchips são usados em todos os mais recentes smartphones, consoles de jogos, smartwatches e outros dispositivos embarcados de última geração.
O futuro F é aqui, EXE Lithography Machines
ASML está trabalhando em sua próxima geração de máquina de litografia EUV (EXE), que abrirá as portas para um mundo digital mais inteligente em décadas futuras. Intel e ASML estão trabalhando juntos para torná-lo realidade já em 2025, e conseguiram oferecer produção EUV com números que não eram possíveis antes minério.
Acima de tudo, a máquina EXE EUV reduziria os custos e a energia necessários para fabricar este chip. Essa máquina também oferece escalabilidade em um ritmo acessível, até a próxima década. Esta máquina tem uma resolução mais alta que permitirá recursos de chip 1,7x menores e densidade de chip 2,9x maior.
O número de etapas do processo reduzirá significativamente com esta plataforma, o que é uma motivação sólida para adotar a tecnologia. Além disso, reduzirá significativamente defeitos, custos e tempo de ciclo.
Fonte: innovationorigins.com/app/uploads/2018/01/ASML-transistor-per-mm2-Wet-van-Moore.png
Epílogo Tecnológico
Todo o mundo da tecnologia está evoluindo em um ciclo de feedback. Por exemplo, a necessidade de hardware mais rápido e eficiente (chips lógicos e de memória) usados na tecnologia mais recente impulsiona a indústria de fabricação de “Chip”.
E o avanço na fabricação de chips semicondutores impulsiona ainda mais as tecnologias mais recentes para a frente. Por exemplo, as máquinas de litografia mais recentes (EXE) usam os “chips” de semicondutores mais sofisticados, fabricados usando as máquinas de litografia (DUV/EUV) de geração anterior. e memória) estão moldando as tecnologias futuras. Embora a maior parte disso dependa da eficiência com que continuamos a avançar na indústria de fabricação de chips. Esses desafios podem trazer tecnologias futuras até agora sem precedentes.
Vemos uma evolução significativa acontecendo mais rápido do que nunca, criando uma “revolução industrial” em Sistemas Embarcados.
