Интегральная схема: что это такое, история изобретения, разновидности

Содержание

Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) названа так, потому что… Сверхбольшая интегральная схема: размеры, вес и описание

Компьютерные технологии развиваются чрезвычайно быстро. Появляются всё новые компоновки и разработки, которые должны удовлетворить постоянно возрастающие требования. Один из наиболее интересных моментов — это сверхбольшая интегральная схема. Что это такое? Почему у неё такое название? Мы знаем, как расшифровывается СБИС, но что она собой представляет на практике? Где они используются?

История развития

В начале шестидесятых годов появились первые полупроводниковые микросхемы. С тех пор микроэлектроника прошла значительный путь от простых логических элементов до сложнейших цифровых устройств. Современные сложные и многофункциональные компьютеры могут работать на одном полупроводниковом монокристалле, площадь которого составляет один квадратный сантиметр.

Необходимо было их как-то классифицировать и различать. Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) названа так потому, что возникла надобность обозначать микросхему, у которых степень интеграции превышала 104 элемента на один кристалл. Это произошло в конце семидесятых. Уже через несколько лет стало понятно, что это – генеральное направление для микроэлектроники.

Итак, сверхбольшая интегральная схема названа так потому, что нужно было классифицировать все достижения в этой сфере. Первоначально микроэлектроника строилась на операциях сборки и занималась реализацией сложных функций объединяя множество элементов в чем-то одном.

А что потом?

Первоначально значительная часть прироста стоимости изготавливаемой продукции была именно в процессе сборки. Основные этапы, которые приходилось проходить каждому изделию – это проектирование, выполнение и проверка соединений между компонентами. Функции, а также размеры устройств, что реализовывались на практике, ограничиваются исключительно количеством применяемых компонентов, их надежностью и физическими размерами.

Поэтому, если говорят, что какая-то сверхбольшая интегральная схема весит более 10 кг, это вполне возможно. Вопрос исключительно в рациональности использования такого большого блока компонентов.

Развитие

Хочется сделать ещё одно небольшое отступление. Исторически так сложилось, что в интегральных схемах привлекали их небольшие размеры и масса. Хотя постепенно по мере развития появлялись возможности всё более тесного размещение элементов. И не только. Под этим стоит понимать не только компактное размещение, но и улучшение эргономических показателей, увеличение характеристик и уровня надежности функционирования.

Особенное внимание следует уделять материальным и энергетическим показателям, что прямо зависят от используемой на один компонент площади кристалла. Во многом это зависело от используемого вещества. Первоначально для полупроводниковой продукции применяли германий. Но со временем его вытеснил кремний, который обладает более привлекательными характеристиками.

Что сейчас используют?

Итак, мы знаем, что сверхбольшая интегральная схема названа так потому, что содержит множество компонентов. Какие же технологии сейчас используются при их создании? Чаще всего говорят об глубокой субмикронной области, которая позволяет достичь эффективного использования компонентов в 0,25-0,5 мкм, и наноэлектронике, где элементы измеряются в нанометрах. Причем первая постепенно становится историей, а во второй делаются всё большие открытия. Вот краткий перечень разработок, что создаются:

  1. Сверхбольшие кремниевые схемы. В них в глубокой субмикронной области предусмотрены минимальные размеры компонентов.
  2. Сверхскоростные гетеропереходные приборы и интегральные схемы. Строятся на основе кремния, германия, арсенида галлия, а также ряда иных соединений.
  3. Технология наноразмерных приборов, из которых отдельно следует упомянуть нанолитографию.

Хотя тут и указаны небольшие размеры, но не нужно заблуждаться о том, какой является конечная сверхбольшая интегральная схема. Габаритные размеры у неё могут изменяться сантиметрами, а в некоторых специфических устройствах даже метрами. Микрометры и нанометры – это всего лишь размер отдельных элементов (например, транзисторов), а их количество может исчисляться миллиардами!

Несмотря на такое число, может быть, что сверхбольшая интегральная схема весит несколько сотен граммов. Хотя возможно и такое, что она будет настолько тяжелой, что даже взрослый человек не сможет ее самостоятельно поднять.

Как создаются?

Рассмотрим современную технологию. Итак, для создания сверхчистых полупроводниковых монокристаллических материалов, а также технологических реагентов (в том числе жидкостей и газов) необходимо:
  1. Обеспечить сверхчистые производственные условия в зоне обработки и транспортировки пластин.
  2. Разработать технологические операции и создать комплекс оборудования, где будет присутствовать автоматизированный контроль процессов. Это необходимо для обеспечения заданного качества обработки и низкого уровня загрязнения. Хотя не следует забывать и о высокой производительности и надежности создаваемых электронных компонентов.

Шутки ли, когда создаются элементы, размер которых исчисляется в нанометрах? Человеку, увы, выполнить операции, требующие феноменальной точности, не под силу.

Что с отечественными производителями?

Почему сверхбольшая интегральная схема прочно ассоциируется с зарубежными разработками? В начале 50-х годов прошлого столетия СССР занимал второе место в разработке электроники. Но сейчас отечественным производителям чрезвычайно сложно конкурировать с зарубежными компаниями. Хотя не всё так плохо.

Так, относительно создания сложной наукоемкой продукции можно уверенно сказать, что в Российской Федерации сейчас есть и условия, и кадры, и научный потенциал. Есть довольно много предприятий и учреждений, что могут разрабатывать различные электронные устройства. Правда, всё это существует в довольно ограниченном объеме.

Так, часты случае, когда для разработок используется высокотехнологическое «сырье» вроде СБИС-памяти, микропроцессоров и контроллеров, что были изготовлены за границей. Но при этом решаются определённые задачи обработки сигналов и осуществления вычислений программным путём.

Хотя не следует полагать, что мы можем исключительно закупать и с различных компонентов собирать технику. Существуют и отечественные варианты процессоров, контроллеров, сверхбольших интегральных схем и прочих разработок. Но, увы, они не могут соревноваться с лидерами мира по своей эффективности, что делает затруднительным их коммерческую реализацию. Но вот использовать их в отечественных системах, где не нужно много мощностей или следует позаботиться о надежности, – это вполне возможно.

Сверхбольшие интегральные схемы программируемой логики

Это отдельно выделяемый перспективный вид разработок. Они вне конкуренции в тех областях, где нужно создавать высокопроизводительные специализированные устройства, ориентированные на аппаратную реализацию. Благодаря этому решается задача распараллеливания процесса обработки и повышается производительность в десятки раз (если сравнивать с программными решениями).

По сути, эти сверхбольшие интегральные схемы обладают универсальными настраиваемыми функциональными преобразователями, что позволяет пользователям настраивать между ними связи. И это всё на одном кристалле. Как результат – более короткий цикл создания, экономический выигрыш для мелкосерийного производства, а также возможность внести изменения на произвольном этапе конструирования.

Разработка сверхбольших интегральных схем программируемой логики занимает несколько месяцев. После этого они за кратчайшее время настраиваются – и это всё с минимальным уровнем затрат. Существуют различные производители, архитектура и возможности создаваемой ими продукции, что значительно повышает возможность выполнения поставленных задач.

По каким признакам их классифицируют?

Обычно для этого используется:
  1. Логическая емкость (степень интеграции).
  2. Организация внутренней структуры.
  3. Тип применяемого программируемого элемента.
  4. Архитектура функционального преобразователя.
  5. Наличие/отсутствие внутренней оперативной памяти.

Каждый пункт заслуживает внимания. Но увы, размер статьи ограничен, поэтому мы рассмотрим только самую важную составляющую.

Что собой представляет логическая емкость?

Это наиболее важная характеристика для сверхбольших интегральных схем. Число транзисторов в них может составлять миллиарды. Но при этом их размер равен жалкой доли микрометра. Но ввиду избыточности структур логическую емкость измеряют в количестве вентилей, что нужно для реализации устройства.

Для их обозначения используются показатели в сотни тысяч и миллионов единиц. Чем выше значение логической емкости, тем более широкие возможности нам может предложить сверхбольшая интегральная схема.

О преследуемых целях

СБИС первоначально создавались для машин пятого поколения. При их изготовлении ориентировались на потоковую архитектуру и реализацию интеллектуального человеко-машинного интерфейса, что позволит не только обеспечить системное решение задач, но и предоставит маше возможность логически мыслить, самообучаться и делать логические выводы.

Предполагалось, что общение будет вестись на естественном языке с использованием речевой формы. Что ж, в той или иной мере это было реализовано. Но всё же до полноценного беспроблемного создания идеальных сверхбольших интегральных схем ещё далеко. Но мы, человечество, до этого уверенно движемся. В этом большую роль играет автоматизация проектирования СБИС.

Как уже ранее упоминалось, для этого необходимо потратить множество людских и временных ресурсов. Поэтому, чтобы сэкономить, широко используется автоматизация. Ведь когда необходимо установить соединения между миллиардами составляющих, даже команда из нескольких десятков человек потратит на это годы. Тогда как автоматика может это сделать в считанные часы, если заложить правильный алгоритм.

Сейчас дальнейшее уменьшение представляется довольно проблематичным, поскольку мы уже подходим к пределу транзисторной технологии. Уже сейчас самые небольшие транзисторы имеют размер в несколько десятков нанометров. Если уменьшить их в несколько сотен раз, то мы просто упрёмся в габариты атома. Несомненно, это хорошо, но как двигаться далее в плане увеличения эффективности электроники? Для этого придётся выходить на новый уровень. Например – заняться созданием квантовых компьютеров.

Заключение

Сверхбольшие интегральные схемы оказали существенное влияние на развитие человечества и имеющихся у нас возможностей. Но вполне вероятно, что скоро они устареют и на замену им придёт что-то совершенно иное.

Ведь, увы, мы уже приближаемся к пределу возможностей, а стоять на месте человечество не привыкло. Поэтому, вероятно, сверхбольшим интегральным схемам будут оказаны должны почести, после чего их заменят более совершенные разработки. Но пока же мы все используем СБИС как вершину существующего творения.

Интегральная схема — Integrated circuit

Электронная схема

«Силиконовый чип» перенаправляется сюда. Для журнала электроники см Silicon Chip . Интегральная схема из микрочипа памяти EPROM, показывающая блоки памяти, поддерживающую схему и тонкие серебряные провода, которые соединяют кристалл интегральной схемы с ножками корпуса Виртуальная деталь интегральной схемы через четыре слоя планаризованного медного межсоединения , вплоть до поликремния (розовый), лунок (сероватый) и подложки (зеленый)

Интегральная схема или монолитная интегральная схема (также называемая как IC , в чипе , или микрочип ) представляет собой набор электронных схем на одной небольшую плоскую часть (или «чип») из полупроводникового материала, обычно кремний . Интеграция большого количества крошечных МОП-транзисторов в небольшую микросхему приводит к созданию схем, которые на порядки меньше, быстрее и дешевле, чем схемы, построенные из дискретных электронных компонентов . Возможности массового производства , надежность и блочный подход к проектированию интегральных схем обеспечили быстрое внедрение стандартизированных ИС вместо конструкций с дискретными транзисторами . ИС теперь используются практически во всем электронном оборудовании и произвели революцию в мире электроники . Компьютеры , мобильные телефоны и другая цифровая бытовая техника теперь являются неотъемлемой частью структуры современного общества, что стало возможным благодаря небольшим размерам и низкой стоимости ИС.

Интегральные схемы стали практичными благодаря технологическим достижениям в производстве полупроводниковых устройств металл-оксид-кремний (МОП) . С момента своего появления в 1960-х годах размер, скорость и емкость микросхем значительно выросли благодаря техническим достижениям, которые позволяют устанавливать все больше и больше МОП-транзисторов на микросхемы того же размера — современный чип может иметь много миллиардов МОП-транзисторов в одном корпусе.

площадь размером с ноготь человека. Благодаря этим достижениям, примерно следуя закону Мура, современные компьютерные чипы обладают в миллионы раз большей емкостью и в тысячи раз большей скоростью, чем компьютерные чипы начала 1970-х годов.

ИС имеют два основных преимущества перед дискретными схемами : стоимость и производительность. Стоимость низкая, потому что микросхемы со всеми их компонентами печатаются как единое целое с помощью фотолитографии, а не создаются по одному транзистору за раз. Кроме того, в корпусных ИС используется гораздо меньше материала, чем в дискретных схемах. Производительность высока, потому что компоненты ИС переключаются быстро и потребляют сравнительно мало энергии из-за своего небольшого размера и близости. Главный недостаток ИС — высокая стоимость их проектирования и изготовления необходимых фотошаблонов . Такая высокая начальная стоимость означает, что ИС коммерчески жизнеспособны только тогда, когда ожидается большой объем производства.

Терминология

Интегральная схема

определяется следующим образом:

Схема, в которой все или некоторые элементы схемы неразрывно связаны и электрически связаны между собой, так что она считается неделимой для целей строительства и торговли.

Схемы, отвечающие этому определению, могут быть построены с использованием множества различных технологий, включая тонкопленочные транзисторы , толстопленочные технологии или гибридные интегральные схемы . Однако в общем случае интегральная схема стала обозначать конструкцию из одной детали, первоначально известную как монолитная интегральная схема , часто построенная на едином куске кремния.

История

Первой попыткой объединить несколько компонентов в одном устройстве (например, современные ИС) была вакуумная лампа Loewe 3NF 1920-х годов. В отличие от микросхем, он был разработан с целью избежания налогов , так как в Германии на радиоприемники взимался налог, который взимался в зависимости от того, сколько ламподержателей было у радиоприемника. Это позволяло радиоприемникам иметь единственный держатель для ламп.

Ранние концепции интегральной схемы восходят к 1949 году, когда немецкий инженер Вернер Якоби ( Siemens AG ) подал патент на полупроводниковое усилительное устройство, подобное интегральной схеме, с пятью транзисторами на общей подложке в трехкаскадном усилителе .

Якоби описал маленькие и дешевые слуховые аппараты как типичные промышленные применения своего патента. О немедленном коммерческом использовании его патента не сообщается.

Еще одним ранним сторонником этой концепции был Джеффри Даммер (1909–2002), ученый-радар, работавший в Королевском радиолокационном учреждении Министерства обороны Великобритании . Даммер представил эту идею публике на Симпозиуме по прогрессу в создании качественных электронных компонентов в Вашингтоне, округ Колумбия, 7 мая 1952 года. Он провел много симпозиумов публично для распространения своих идей и безуспешно пытался построить такую ​​схему в 1956 году. С 1953 по 1957 год. Сидни Дарлингтон и Ясуро Таруи ( Электротехническая лаборатория ) предложили аналогичные конструкции микросхем, в которых несколько транзисторов могут иметь общую активную область, но не имеют электрической изоляции, разделяющей их друг от друга.

Монолитная интегральная микросхема была включена по Мохамед М. Atalla «ы пассивации поверхности процесс, который электрический стабилизированный кремниевые поверхности с помощью термического окисления , что делает возможным изготовить монолитные интегральные микросхемы схемы с использованием кремния. Это было основой для планарного процесса , разработанного Жаном Хорни из Fairchild Semiconductor в начале 1959 года, который имел решающее значение для изобретения монолитной интегральной микросхемы. Ключевой концепцией монолитной ИС является принцип изоляции p – n-перехода , который позволяет каждому транзистору работать независимо, несмотря на то, что он является частью одного кремния. Процесс поверхностной пассивации Atalla изолировал отдельные диоды и транзисторы, который был расширен до независимых транзисторов на одном куске кремния Куртом Леховеком из Sprague Electric в 1959 году, а затем независимо Робертом Нойсом из Fairchild позже в том же году.

Первые интегральные схемы

Идея-предшественница ИС заключалась в создании небольших керамических подложек (так называемых

микромодулей ), каждая из которых содержала бы один миниатюрный компонент. Затем компоненты могут быть интегрированы и соединены в двумерную или трехмерную компактную сетку. Эта идея, которая казалась очень многообещающей в 1957 году, была предложена американской армии Джеком Килби и привела к недолговечной программе микромодулей (похожей на проект Tinkertoy 1951 года). Однако по мере того, как проект набирал обороты, Килби придумал новый революционный дизайн: IC.

Вновь принятый на работу в Texas Instruments , Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы в июле 1958 года, успешно продемонстрировав первый рабочий пример интегральной схемы 12 сентября 1958 года. В своей патентной заявке от 6 февраля 1959 года Килби описал свое новое устройство как « корпус из полупроводникового материала… в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы ». Первым заказчиком нового изобретения стали ВВС США . Килби получил Нобелевскую премию по физике 2000 года за участие в изобретении интегральной схемы. Однако изобретением Килби была гибридная интегральная схема (гибридная ИС), а не монолитная интегральная схема (монолитная ИС). Микросхема Килби имела внешние проводные соединения, что затрудняло серийное производство.

Спустя полгода после Килби Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрел первый настоящий монолитный ИС.

Это была новая разновидность интегральных схем, более практичная, чем реализация Килби. Конструкция Нойса была сделана из кремния , а микросхема Килби — из германия . Монолитная ИС Нойса поместила все компоненты на кремниевый кристалл и соединила их медными линиями. Монолитная ИС Нойса была изготовлена с использованием планарного процесса , разработанного в начале 1959 года его коллегой Жаном Хорни . Современные микросхемы IC основаны на монолитной ИС Нойса, а не на гибридной ИС Килби.

Программа NASA Apollo была крупнейшим потребителем интегральных схем в период с 1961 по 1965 год.

Интегральные схемы TTL

Транзисторно-транзисторная логика (TTL) была разработана Джеймсом Л. Буйе в начале 1960-х в компании TRW Inc. TTL стала доминирующей технологией интегральных схем в 1970-х — начале 1980-х годов.

Десятки TTL интегральных схем были стандартным методом строительства для процессоров с мини — ЭВМ и ЭВМ . Такие компьютеры , как мэйнфреймы IBM 360 , миникомпьютеры PDP-11 и настольный компьютер Datapoint 2200 были построены на основе биполярных интегральных схем, либо TTL, либо еще более быстрой логики с эмиттерной связью (ECL).

МОП интегральные схемы

Почти все современные микросхемы IC представляют собой интегральные схемы металл-оксид-полупроводник (МОП), построенные на полевых транзисторах металл-оксид-кремний ( MOSFET ). MOSFET (также известный как MOS-транзистор), который был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, позволил создавать интегральные схемы высокой плотности . Аталла впервые предложил концепцию микросхемы МОП-интегральной схемы (МОП-ИС) в 1960 году, отметив, что простота изготовления МОП-транзистора сделала его полезным для интегральных схем. В отличие от биполярных транзисторов, которые требовали ряда шагов для изоляции p – n-перехода транзисторов на кристалле, полевые МОП-транзисторы не требовали таких шагов, но их можно было легко изолировать друг от друга. Его преимущество для интегральных схем было повторено Давоном Кангом в 1961 году. Список основных этапов IEEE включает первую интегральную схему Килби в 1958 году, планарный процесс Хёрни и планарную ИС Нойса в 1959 году, а также MOSFET Аталла и Канг в 1959 году.

Самой ранней экспериментальной МОП-микросхемой, которая должна была быть изготовлена, была микросхема с 16 транзисторами, построенная Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA в 1962 году. Позднее General Microelectronics представила первую коммерческую интегральную схему МОП в 1964 году, регистр сдвига на 120 транзисторов, разработанный Робертом Норманом. К 1964 году MOS-чипы достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярные чипы. Микросхемы МОП усложнялись со скоростью, предсказанной законом Мура , что привело к крупномасштабной интеграции (БИС) с сотнями транзисторов на одном кристалле МОП к концу 1960-х годов.

После разработки Робертом Кервином, Дональдом Кляйном и Джоном Сарасом в Bell Labs полевого МОП-транзистора с самовыравнивающимся затвором (кремниевым затвором) в 1967 году появилась первая технология МОП-микросхемы с кремниевым затвором и самовыравнивающимися затворами , которая является основой всех современных КМОП Интегральные схемы были разработаны в Fairchild Semiconductor Федерико Фаггином в 1968 году. Применение микросхем MOS LSI для вычислений стало основой для первых микропроцессоров , поскольку инженеры начали понимать, что полный компьютерный процессор может содержаться в одном кристалле MOS LSI. Это привело к изобретениям микропроцессора и микроконтроллера к началу 1970-х годов. В начале 1970-х годов технология MOS-интегральных схем позволила осуществить очень крупномасштабную интеграцию (VLSI) более 10 000 транзисторов на одном кристалле.

Сначала компьютеры на основе МОП имели смысл только тогда, когда требовалась высокая плотность, например, в аэрокосмических и карманных калькуляторах . Компьютеры, полностью построенные на основе TTL, такие как Datapoint 2200 1970 года , были намного быстрее и мощнее однокристальных микропроцессоров MOS, таких как Intel 8008 1972 года, до начала 1980-х годов.

Прогресс в области технологии ИС, в первую очередь мелких особенностей и крупных чипов, позволили число из МОП — транзисторов в интегральной схеме удваиваться каждые два года, тенденция , известная как закон Мура. Первоначально Мур заявлял, что она будет удваиваться каждый год, но в 1975 году он изменил требование на каждые два года. Эта увеличенная емкость использовалась для снижения стоимости и увеличения функциональности. В общем, по мере уменьшения размера элемента улучшаются почти все аспекты работы ИС. Стоимость транзистора и потребляемая мощность переключения на транзистор снижаются, в то время как объем памяти и скорость возрастают в зависимости от отношений, определенных масштабированием Деннарда ( масштабирование MOSFET ). Поскольку конечному пользователю очевидны приросты скорости, емкости и энергопотребления, между производителями идет жесткая конкуренция за использование более тонких геометрических фигур. С годами размеры транзисторов уменьшились с 10 микрон в начале 1970-х годов до 10 нанометров в 2017 году с соответствующим увеличением количества транзисторов на единицу площади в миллион раз. По состоянию на 2016 год типичные площади микросхем варьируются от нескольких квадратных миллиметров до примерно 600 мм 2 , а на 1 мм 2 приходится до 25 миллионов транзисторов .

Ожидаемое сокращение размеров элементов и необходимый прогресс в смежных областях прогнозировалось на многие годы в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS). Окончательная версия ITRS была выпущена в 2016 году, и ее заменяет Международная дорожная карта для устройств и систем .

Изначально ИС были исключительно электронными устройствами. Успех ИС привел к интеграции других технологий в попытке получить те же преимущества небольшого размера и низкой стоимости. Эти технологии включают механические устройства, оптику и датчики.

  • Устройства с зарядовой связью и близкие к ним датчики с активными пикселями — это микросхемы, чувствительные к свету. Они в значительной степени заменили фотопленку в научных, медицинских и потребительских приложениях. Миллиарды этих устройств теперь производятся каждый год для таких приложений, как мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры. Эта подобласть ИС получила Нобелевскую премию в 2009 году.
  • Очень маленькие механические устройства, приводимые в действие электричеством, могут быть интегрированы в микросхемы, технология, известная как микроэлектромеханические системы . Эти устройства были разработаны в конце 1980-х годов и используются в различных коммерческих и военных приложениях. Примеры включают DLP-проекторы , струйные принтеры , акселерометры и гироскопы MEMS, используемые для установки автомобильных подушек безопасности .
  • С начала 2000-х годов интеграция оптических функций ( оптических вычислений ) в кремниевые чипы активно проводилась как в академических исследованиях, так и в промышленности, что привело к успешной коммерциализации кремниевых интегрированных оптических трансиверов, сочетающих оптические устройства (модуляторы, детекторы, маршрутизацию) с КМОП-электроника. Интегральные оптические схемы также разрабатываются с использованием новой области физики, известной как фотоника .
  • Интегральные схемы также разрабатываются для сенсорных приложений в медицинских имплантатах или других биоэлектронных устройствах. В таких биогенных средах необходимо применять специальные методы герметизации, чтобы избежать коррозии или биоразложения открытых полупроводниковых материалов.

По состоянию на 2018 год подавляющее большинство всех транзисторов представляют собой полевые МОП-транзисторы, изготовленные в одном слое на одной стороне кремниевого кристалла в плоском двумерном планарном процессе . Исследователи создали прототипы нескольких многообещающих альтернатив, таких как:

  • различные подходы к набору нескольких слоев транзисторов для создания трехмерной интегральной схемы (3DIC), такие как переходы через кремний , «монолитное трехмерное», многослойное соединение проводов и другие методики.
  • транзисторы , построенные из других материалов: графеновых транзисторов , молибденита транзисторов , углеродной нанотрубки полевого транзистора , галлий нитрид транзистор, транзистор типа электронных устройств нанопроводов , органического полевого транзистора и т.д.
  • изготовление транзисторов на всей поверхности небольшой кремниевой сферы.
  • модификации подложки, как правило, для создания « гибких транзисторов » для гибкого дисплея или другой гибкой электроники , что может привести к откатывающемуся компьютеру .

Поскольку становится все труднее производить транзисторы все меньшего размера, компании используют многокристальные модули , трехмерные интегральные схемы , пакет на упаковке , память с высокой пропускной способностью и сквозные переходные отверстия с наложением кристаллов для повышения производительности и уменьшения размера без необходимости уменьшить размер транзисторов. Такие методы все вместе известны как усовершенствованная упаковка. Расширенная упаковка в основном делится на упаковку 2.5D и 3D. 2.5D описывает такие подходы, как многочиповые модули, в то время как 3D описывает подходы, при которых кристаллы так или иначе уложены друг на друга, например пакет на корпусе и память с высокой пропускной способностью. Все подходы включают в себя 2 или более штампов в одном корпусе. В качестве альтернативы, такие подходы, как 3D NAND, складывают несколько слоев на одном кристалле.

дизайн

Стоимость проектирования и разработки сложной интегральной схемы довольно высока, как правило, в несколько десятков миллионов долларов. Следовательно, производство интегральных схем с большим объемом производства имеет только экономический смысл, поэтому единовременные инженерные затраты (NRE) обычно распределяются между миллионами производственных единиц.

Современные полупроводниковые микросхемы состоят из миллиардов компонентов и слишком сложны, чтобы их можно было разрабатывать вручную. Программные инструменты в помощь дизайнеру необходимы. Автоматизация электронного проектирования ( EDA ), также известная как Electronic Computer-Aided Design ( ECAD ), представляет собой категорию программных инструментов для проектирования электронных систем , включая интегральные схемы. Инструменты работают вместе в потоке проектирования, который инженеры используют для проектирования и анализа целых полупроводниковых микросхем.

Типы

Интегральные схемы можно разделить на аналоговые , цифровые и смешанные , состоящие из аналоговой и цифровой сигнализации на одной ИС.

Цифровые интегральные схемы могут содержать от одного до миллиардов логических вентилей , триггеров , мультиплексоров и других схем в несколько квадратных миллиметров. Небольшой размер этих схем обеспечивает высокую скорость, низкое рассеивание мощности и снижение стоимости производства по сравнению с интеграцией на уровне платы. Эти цифровые ИС, обычно микропроцессоры , DSP и микроконтроллеры , работают с использованием логической алгебры для обработки сигналов «единица» и «ноль» .

К наиболее совершенным интегральным схемам относятся микропроцессоры или « ядра », которые контролируют все, от персональных компьютеров и сотовых телефонов до цифровых микроволновых печей . Микросхемы цифровой памяти и специализированные интегральные схемы (ASIC) являются примерами других семейств интегральных схем, которые важны для современного информационного общества .

В 1980-х годах были разработаны устройства с программируемой логикой . Эти устройства содержат схемы, логические функции и возможности подключения которых могут быть запрограммированы пользователем, а не фиксироваться производителем интегральных схем. Это позволяет запрограммировать одну микросхему для реализации различных функций типа LSI, таких как логические вентили , сумматоры и регистры . Программируемость проявляется как минимум в четырех формах: устройства, которые можно запрограммировать только один раз , устройства, которые можно стирать и затем перепрограммировать с использованием ультрафиолетового излучения , устройства, которые можно (повторно) программировать с помощью флэш-памяти , и программируемые вентильные матрицы (ПЛИС). ), которые можно запрограммировать в любой момент, в том числе во время работы. Текущие FPGA могут (по состоянию на 2016 год) реализовать эквивалент миллионов вентилей и работать на частотах до 1 ГГц .

Аналоговые ИС, такие как датчики , схемы управления питанием и операционные усилители (операционные усилители), работают путем обработки непрерывных сигналов . Они выполняют аналоговые функции, такие как усиление , активная фильтрация , демодуляция и микширование . Аналоговые ИС облегчают задачу проектировщиков схем, поскольку имеют в наличии аналоговые схемы, разработанные экспертами, вместо того, чтобы проектировать и / или создавать сложные аналоговые схемы с нуля.

Микросхемы также могут объединять аналоговые и цифровые схемы на одной микросхеме для создания таких функций, как аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи . Такие схемы со смешанными сигналами имеют меньший размер и меньшую стоимость, но должны тщательно учитывать помехи сигнала. До конца 1990-х годов радиоприемники не могли изготавливаться с использованием тех же недорогих КМОП- процессов, что и микропроцессоры. Но с 1998 года большое количество радиочипов было разработано с использованием процессов RF CMOS . Примеры включают беспроводной телефон Intel DECT или чипы 802.11 ( Wi-Fi ), созданные Atheros и другими компаниями.

Современные дистрибьюторы электронных компонентов часто делят на подкатегории огромное количество доступных сейчас интегральных схем:

  • Цифровые ИС далее подразделяются на логические ИС (такие как микропроцессоры и микроконтроллеры ), микросхемы памяти (такие как память MOS и память с плавающим затвором ), интерфейсные ИС (устройства сдвига уровня , сериализатор / десериализатор и т. Д.), ИС управления питанием , и программируемые устройства .
  • Аналоговые ИС далее подразделяются на линейные интегральные схемы и РЧ-схемы ( радиочастотные схемы).
  • Смешанных сигналов интегральных схем дополнительно суб-категории сбора данных ИС ( в том числе A / D преобразователей , D / A преобразователей , цифровые потенциометры ), часы / ИС синхронизации , коммутацией конденсаторов (SC) схемы, и РЧ — КМОП схемы.
  • Трехмерные интегральные схемы (3D ИС) подразделяются на подкатегории: микросхемы сквозного кремния (TSV) и соединительные ИС Cu-Cu.

Производство

Изготовление

Рендеринг небольшой стандартной ячейки с тремя металлическими слоями ( диэлектрик удален). Конструкции песочного цвета представляют собой металлические межсоединения , при этом вертикальные стойки представляют собой контакты, как правило, из вольфрама. Красноватые структуры — это вентили из поликремния, а твердое вещество внизу — это объем кристаллического кремния . Схематическая структура КМОП- микросхемы, построенной в начале 2000-х годов. На графике показаны LDD-MISFET на подложке SOI с пятью слоями металлизации и паяным выступом для соединения с перевернутым кристаллом. Он также показывает раздел для FEOL ( внешний интерфейс линии), BEOL (внутренний конец строки) и первые части внутреннего процесса.

В полупроводниках о периодической таблице из химических элементов были определены как наиболее вероятными материалы для твердотельной вакуумной трубки . Начиная с оксида меди и заканчивая германием , а затем кремнием , материалы систематически изучались в 1940-х и 1950-х годах. Сегодня монокристаллический кремний является основной подложкой, используемой для ИС, хотя некоторые соединения III-V периодической таблицы, такие как арсенид галлия , используются для специализированных приложений, таких как светодиоды , лазеры , солнечные элементы и высокоскоростные интегральные схемы. Потребовались десятилетия, чтобы усовершенствовать методы создания кристаллов с минимальными дефектами кристаллической структуры полупроводниковых материалов .

Полупроводниковые ИС изготавливаются в плоском процессе, который включает три ключевых этапа процесса — фотолитографию , осаждение (например, химическое осаждение из паровой фазы ) и травление . Основные этапы процесса дополняются легированием и очисткой. Более поздние или высокопроизводительные микросхемы могут вместо этого использовать несколько ворот FinFET или GAAFET транзисторов вместо плоских те, начиная с узла 22 нм (Intel) или 16 / 14nm узлов.

Монокристалл кремния пластины используются в большинстве приложений (или для специальных приложений, другие полупроводники , такие как арсенид галлия используются). Пластина не обязательно должна быть полностью кремниевой. Фотолитография используется для маркировки различных участков подложки, подлежащих легированию, или для нанесения на них поликремния, изоляторов или металлических (обычно алюминиевых или медных) дорожек. Легирующие примеси — это примеси, которые намеренно вводят в полупроводник, чтобы модулировать его электронные свойства. Легирование — это процесс добавления легирующих добавок к полупроводниковому материалу.

  • Интегральные схемы состоят из множества перекрывающихся слоев, каждый из которых определяется фотолитографией и обычно отображается разными цветами. Некоторые слои отмечают места диффузии различных примесей в подложку (называемые диффузионными слоями), некоторые определяют места имплантации дополнительных ионов (слои имплантата), некоторые определяют проводники (легированный поликремний или металлические слои), а некоторые определяют связи между проводящими слоями. (сквозные или контактные слои). Все компоненты состоят из определенной комбинации этих слоев.
  • В собственной выровненной КМОП способе транзистора формируется везде , где слой затвора (поликремний или металл) пересекает диффузионный слой.
  • Емкостные структуры , по форме очень похожие на параллельные проводящие пластины традиционного электрического конденсатора , сформированы в соответствии с площадью «пластин» с изоляционным материалом между пластинами. На ИС распространены конденсаторы самых разных размеров.
  • Изогнутые полосы различной длины иногда используются для формирования резисторов на кристалле , хотя для большинства логических схем резисторы не требуются. Отношение длины резистивной структуры к ее ширине в сочетании с удельным сопротивлением листа определяет сопротивление.
  • Реже индуктивные структуры могут быть построены в виде крошечных катушек на кристалле или смоделированы гираторами .

Поскольку КМОП-устройство потребляет ток только при переходе между логическими состояниями , КМОП-устройства потребляют гораздо меньше тока, чем устройства с биполярным переходом .

Память с произвольным доступом является наиболее обычным типом интегральной схемы; устройства самой высокой плотности, таким образом, являются воспоминаниями; но даже микропроцессор будет иметь память на кристалле. (См. Структуру регулярного массива в нижней части первого изображения.) Хотя структуры сложны — с шириной, которая сокращалась в течение десятилетий — слои остаются намного тоньше, чем ширина устройства. Слои материала изготавливаются во многом так же, как фотографический процесс, хотя световые волны в видимом спектре нельзя использовать для «обнажения» слоя материала, поскольку они будут слишком большими для деталей. Таким образом, фотоны более высоких частот (обычно ультрафиолетовые ) используются для создания рисунков для каждого слоя. Поскольку каждая функция настолько мала, электронные микроскопы являются необходимыми инструментами для процесса инженера , который может быть отладки процесса изготовления.

Каждое устройство перед упаковкой тестируется с использованием автоматизированного испытательного оборудования (ATE) в процессе, известном как тестирование пластины или зондирование пластины. Затем пластина разрезается на прямоугольные блоки, каждый из которых называется матрицей . Затем каждый исправный кристалл (несколько кубиков , штампов или штампов ) соединяется в корпус с помощью алюминиевых (или золотых) соединительных проводов, которые термосонически прикрепляются к контактным площадкам , обычно расположенным по краю кристалла. Термозвуковая связь была впервые представлена ​​А. Кукуласом, которая предоставила надежные средства для создания этих жизненно важных электрических соединений с внешним миром. После упаковки устройства проходят окончательное тестирование на том же или аналогичном ATE, используемом во время зондирования пластины. Также можно использовать промышленное компьютерное сканирование . Стоимость испытаний может составлять более 25% стоимости изготовления более дешевых продуктов, но может быть незначительной для низкопроизводительных, больших или более дорогих устройств.

По состоянию на 2016 год строительство производственного объекта (обычно известного как фабрика по производству полупроводников ) может стоить более 8 миллиардов долларов США. Стоимость производственного объекта со временем растет из-за увеличения сложности новых продуктов. Это известно как закон Рока . Сегодня в самых передовых процессах используются следующие методы:

ИС могут быть изготовлены либо собственными силами производителями интегрированных устройств (IDM), либо с использованием модели Foundry . IDM — это вертикально интегрированные компании (такие как Intel и Samsung ), которые проектируют, производят и продают свои собственные ИС и могут предлагать услуги по проектированию и / или производству (литейное производство) другим компаниям (последние часто — компаниям, не имеющим заводов ). В модели литейного производства компании без фабрики (например, Nvidia только проектируют и продают ИС, а все производство передают на аутсорсинг производственным предприятиям, таким как TSMC . Эти литейные предприятия могут предлагать услуги по проектированию ИС.

Упаковка

Советская микросхема nMOS от MSI 1977 года выпуска, часть четырехчипового калькулятора, разработанного в 1970 году.

Самые ранние интегральные схемы были упакованы в керамические плоские блоки , которые продолжали использоваться военными из-за их надежности и малых размеров в течение многих лет. Коммерческая упаковка схем быстро перешла на двухрядную установку (DIP), сначала из керамики, а затем из пластика. В 1980-х годах количество выводов в схемах СБИС превысило практический предел для корпусов DIP, что привело к корпусам с матрицами выводов (PGA) и безвыводными держателями микросхем (LCC). Корпуса для поверхностного монтажа появились в начале 1980-х и стали популярными в конце 1980-х, с использованием более мелкого шага выводов с выводами в форме крыла чайки или J-образных выводов, примером чего является корпус интегральной схемы с малым контуром (SOIC) — носитель, который занимает площадь примерно на 30–50% меньше, чем эквивалентный DIP, и обычно на 70% тоньше. Эта упаковка имеет выводы типа «крыло чайки», выступающие с двух длинных сторон, и расстояние между выводами 0,050 дюйма.

В конце 1990-х годов наиболее распространенными для устройств с большим количеством выводов стали пластиковые четырехканальные плоские корпуса (PQFP) и тонкие корпуса с малыми габаритами (TSOP), хотя корпуса PGA по-прежнему используются для высокопроизводительных микропроцессоров .

Пакеты с шариковой решеткой (BGA) существуют с 1970-х годов. Пакеты Flip-chip Ball Grid Array , которые позволяют использовать гораздо большее количество выводов, чем корпуса других типов, были разработаны в 1990-х годах. В корпусе FCBGA кристалл устанавливается в перевернутом положении (перевернут) и подключается к шарикам корпуса через подложку корпуса, которая похожа на печатную плату, а не с помощью проводов. Пакеты FCBGA позволяют распределить массив сигналов ввода-вывода (называемый Area-I / O) по всему кристаллу, а не ограничиваться его периферией. У устройств BGA есть то преимущество, что они не нуждаются в выделенном разъеме, но их намного сложнее заменить в случае отказа устройства.

Intel перешла от PGA к массивам наземных сетей (LGA) и BGA, начиная с 2004 года, с последним разъемом PGA, выпущенным в 2014 году для мобильных платформ. По состоянию на 2018 год AMD использует пакеты PGA на основных процессорах для настольных ПК, пакеты BGA на мобильных процессорах, а высокопроизводительные настольные и серверные микропроцессоры используют пакеты LGA.

Электрические сигналы, выходящие из кристалла, должны проходить через материал, электрически соединяющий кристалл с корпусом, через проводящие дорожки (пути) в корпусе, через выводы, соединяющие корпус с токопроводящими дорожками на печатной плате . Материалы и конструкции, используемые на пути, по которому электрические сигналы должны проходить, имеют очень разные электрические свойства по сравнению с теми, которые проходят к разным частям одного и того же кристалла. В результате для них требуются специальные методы проектирования, чтобы гарантировать, что сигналы не искажаются, и гораздо больше электроэнергии, чем сигналы, ограниченные самим кристаллом.

Когда несколько матриц помещаются в одну упаковку, в результате получается система в упаковке , сокращенно SiP . Модуль многокристального ( МКМ ), создаются путем объединения нескольких матриц на небольшую подложку часто изготовленную из керамики. Иногда различие между большим MCM и маленькой печатной платой нечеткое.

Упакованные интегральные схемы обычно достаточно велики, чтобы содержать идентифицирующую информацию. Четыре общих раздела — это название или логотип производителя, номер детали, номер партии и серийный номер детали , а также четырехзначный код даты, указывающий, когда был изготовлен чип. Чрезвычайно маленькие технологические детали для поверхностного монтажа часто имеют только номер, который используется в справочной таблице производителя для определения характеристик интегральной схемы.

Дата изготовления обычно представлена ​​двузначным годом, за которым следует двузначный код недели, так что деталь с кодом 8341 была изготовлена ​​на 41 неделе 1983 года, или приблизительно в октябре 1983 года.

Интеллектуальная собственность

Возможность копирования путем фотографирования каждого слоя интегральной схемы и подготовки фотошаблонов для их производства на основе полученных фотографий является причиной введения законодательства о защите макетов. Закон Semiconductor Чип защита 1984 установил защиту интеллектуальной собственности для фотошаблонов , используемых для производства интегральных схем.

В 1989 г. в Вашингтоне, округ Колумбия, состоялась дипломатическая конференция, на которой был принят Договор об интеллектуальной собственности в отношении интегральных схем (Договор IPIC).

Договор об интеллектуальной собственности в отношении интегральных схем, также называемый Вашингтонским договором или договором IPIC (подписанный в Вашингтоне 26 мая 1989 г.), в настоящее время не вступил в силу, но был частично интегрирован в соглашение ТРИПС .

Национальные законы, защищающие топологии ИС, были приняты в ряде стран, включая Японию, ЕС , Великобританию, Австралию и Корею. Великобритания приняла Закон об авторском праве, промышленных образцах и патентах 1988 г., c. 48, § 213, после того, как он изначально занял позицию, что его закон об авторском праве полностью защищает топографии микросхем. См. British Leyland Motor Corp. против Armstrong Patents Co.

Критика неадекватности британского подхода к авторскому праву, с точки зрения американской индустрии микросхем, резюмируется в разделе «Дальнейшие разработки в области прав на микросхемы».

Австралия приняла Закон о схемах от 1989 года как особую форму защиты микросхем. Корея приняла Закон о топологии полупроводниковых интегральных схем .

Прочие разработки

События в будущем , кажется, следуют многоядерные мульти-микропроцессорной парадигму, уже используется Intel и AMD многоядерных процессоров. Rapport Inc. и IBM начали поставки KC256 в 2006 году, 256-ядерный микропроцессор. Не далее как в феврале – августе 2011 года Intel представила прототип чипа «не для коммерческой продажи» с 80 ядрами. Каждое ядро ​​способно выполнять свою задачу независимо от других. Это является ответом на ограничение нагрева по отношению к скорости, которое должно быть достигнуто при использовании существующей транзисторной технологии (см. Расчетную тепловую мощность ). Такая конструкция представляет собой новую проблему для программирования микросхем. Языки параллельного программирования, такие как язык программирования X10 с открытым исходным кодом , призваны помочь в решении этой задачи.

Поколения

На заре создания простых интегральных схем крупномасштабность технологии ограничивала каждый чип всего несколькими транзисторами , а низкая степень интеграции означала, что процесс проектирования был относительно простым. Урожайность в обрабатывающей промышленности также была довольно низкой по сегодняшним меркам. По мере развития технологии металл-оксид-полупроводник (МОП) миллионы, а затем и миллиарды МОП-транзисторов могли быть размещены на одной микросхеме, а хорошие конструкции требовали тщательного планирования, что привело к появлению области автоматизации проектирования электроники , или EDA.

Малая интеграция (SSI)

Первые интегральные схемы содержали всего несколько транзисторов. Ранние цифровые схемы, содержащие десятки транзисторов, обеспечивали несколько логических вентилей, а ранние линейные ИС, такие как Plessey SL201 или Philips TAA320, имели всего два транзистора. С тех пор количество транзисторов в интегральной схеме резко увеличилось. Термин «крупномасштабная интеграция» (LSI) впервые был использован ученым IBM Рольфом Ландауэром при описании теоретической концепции; этот термин породил термины «мелкомасштабная интеграция» (SSI), «средняя интеграция» (MSI), «очень крупномасштабная интеграция» (VLSI) и «сверхбольшая интеграция» (ULSI). ). Ранние интегральные схемы были SSI.

Схемы SSI имели решающее значение для ранних аэрокосмических проектов, а аэрокосмические проекты помогли вдохновить развитие технологии. И ракета Minuteman, и программа Apollo нуждались в легких цифровых компьютерах для их инерциальных систем наведения. Несмотря на то, что компьютер наведения Apollo был лидером и стимулом для создания технологии интегральных схем, именно ракета Minuteman вызвала массовое производство. В 1962 году на ракетную программу Minuteman и различные другие программы ВМС США приходилось 4 миллиона долларов на рынке интегральных схем, а к 1968 году расходы правительства США на космос и оборону все еще составляли 37% от общего объема производства в 312 миллионов долларов.

Спрос со стороны правительства США поддерживал зарождающийся рынок интегральных схем до тех пор, пока затраты не упали настолько, чтобы позволить фирмам ИС проникнуть на промышленный рынок и, в конечном итоге, на потребительский рынок. Средняя цена за интегральную схему упала с 50 долларов в 1962 году до 2,33 долларов в 1968 году. Интегральные схемы начали появляться в потребительских товарах на рубеже 1970-х годов. Типичным применением была обработка звука между несущими FM в телевизионных приемниках.

Первыми прикладными микросхемами MOS были микросхемы малой интеграции (SSI). Следуя предложению Мохамеда М. Аталлы об интегральной микросхеме МОП в 1960 году, первым экспериментальным МОП-кристаллом, который должен был быть изготовлен, был 16-транзисторный чип, созданный Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA в 1962 году. Первое практическое применение МОП-микросхемы SSI чипы были для спутников НАСА .

Среднемасштабная интеграция (MSI)

Следующим

Интегральная схема специального назначения — Карта знаний

  • ASIC (аббревиатура от англ. application-specific integrated circuit, «интегральная схема специального назначения») — интегральная схема, специализированная для решения конкретной задачи. В отличие от обычных интегральных схем для общего назначения, специализированные интегральные схемы применяются в конкретном устройстве и выполняют строго ограниченные функции, характерные только для данного устройства; вследствие этого выполнение функций происходит быстрее и, в конечном счёте, дешевле. Примером ASIC может являться микросхема, разработанная исключительно для управления мобильным телефоном, микросхемы аппаратного кодирования/декодирования аудио- и видеосигналов (сигнальные процессоры).

    Микросхема ASIC имеет узкий круг применения, обусловленный жёстко предопределённым набором её функций.

    Современные ASIC часто содержат 32-битный или даже 64-битный процессор, иногда в количестве нескольких ядер, блоки памяти (как ПЗУ, так и ОЗУ) и другие крупные блоки. Такие ASIC часто называют однокристальной системой.

    При разработке цифровых ASIC для описания их функциональности используют языки описания аппаратных устройств (HDL), такие как Verilog и VHDL.

Источник: Википедия

Связанные понятия

Цифровой сигнальный процессор (англ. digital signal processor, DSP, цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС)) — специализированный микропроцессор, предназначенный для обработки оцифрованных сигналов (обычно, в режиме реального времени). Систе́ма на криста́лле (СнК), однокриста́льная систе́ма (англ. System-on-a-Chip, SoC (произносится как «эс-оу-си»)) — в микроэлектронике — электронная схема, выполняющая функции целого устройства (например, компьютера) и размещённая на одной интегральной схеме. Математический сопроцессор — сопроцессор для расширения командного множества центрального процессора и обеспечивающий его функциональностью модуля операций с плавающей запятой, для процессоров, не имеющих интегрированного модуля. Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент (интегральная микросхема), используемый для создания конфигурируемых цифровых электронных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программатор и IDE (отладочная среда), позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в…

Подробнее: ПЛИС

Гибридная вычислительная система — система с гетерогенной аппаратной вычислительной структурой. Комбинация любых вычислительных устройств или блоков, например вычисления с помощью CPU и GPU совместно. Эмуля́ция (англ. emulation) в вычислительной технике — комплекс программных, аппаратных средств или их сочетание, предназначенное для копирования (или эмулирования) функций одной вычислительной системы (гостя) на другой, отличной от первой, вычислительной системе (хосте) таким образом, чтобы эмулированное поведение как можно ближе соответствовало поведению оригинальной системы (гостя). Целью является максимально точное воспроизведение поведения в отличие от разных форм компьютерного моделирования… Встра́иваемая систе́ма (встро́енная систе́ма, англ. embedded system) — специализированная микропроцессорная система управления, контроля и мониторинга, концепция разработки которой заключается в том, что такая система будет работать, будучи встроенной непосредственно в устройство, которым она управляет. Расширяемость (англ. extensibility) в электронике и информатике означает возможность добавления отдельных элементов в какую-либо систему. Этот термин является одним из принципов разработки и проектирования программного обеспечения и других систем, в которых требуется учитывать их будущий рост и развитие. Расширяемость можно рассматривать как системную меру способности расширять систему и меру количества усилий, необходимых для реализации расширения. Главный аспект применения расширяемости — это предусмотреть… Аппаратное шифрование — процесс шифрования, производимый при помощи специализированных вычислительных устройств. Программи́руемый логи́ческий контро́ллер (сокр. ПЛК; англ. programmable logic controller, сокр. PLC; более точный перевод на русский — контроллер с программируемой логикой), программируемый контроллер — специальная разновидность электронной вычислительной машины. Чаще всего ПЛК используют для автоматизации технологических процессов. В качестве основного режима работы ПЛК выступает его длительное автономное использование, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, без серьёзного обслуживания… Центра́льный проце́ссор (ЦП; также центра́льное проце́ссорное устро́йство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. Тензорный процессор Google (Google Tensor Processing Unit, Google TPU) — тензорный процессор, относящийся к классу нейронных процессоров, являющийся специализированной интегральной схемой, разработанной корпорацией Google и предназначенной для использования с библиотекой машинного обучения TensorFlow. Представлен в 2016 году на конференции Google I/O, при этом утверждалось, что устройства к тому моменту уже использовались внутри корпорации Google более года. Вероятностный процессор оперирует вероятностями на аппаратном уровне. Математический аппарат основан на теореме БайесаВ некотором роде, вероятностный процессор реализует аналоговые вычисления на технологии КМОП. Подобный подход, теоретически, позволяет эффективно реализовать приближенные вычисления, основанные на нечеткой логике или нейронных сетях. Блейд-сервер (также блэйд-сервер, от англ. blade — «лезвие») — компьютерный сервер с компонентами, вынесенными и обобщёнными в корзине для уменьшения занимаемого пространства. Корзина — шасси для блейд-серверов, предоставляющая им доступ к общим компонентам, например, блокам питания и сетевым контроллерам. Блейд-серверы называют также ультракомпактными серверами. Многопроцессорностью иногда называют выполнение множественных параллельных программных процессов в системе в противоположность выполнению одного процесса в любой момент времени. Однако термины многозадачность или мультипрограммирование являются более подходящими для описания этого понятия, которое осуществлено главным образом в программном обеспечении, тогда как многопроцессорная обработка является более соответствующей, чтобы описать использование множественных аппаратных процессоров. Система не… Сопроцессор — специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора компьютерной системы, но оформленный как отдельный функциональный модуль. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в центральный процессор (как это делается в случае математического сопроцессора в процессорах для ПК начиная с Intel 486DX). Гетерогенные вычислительные системы — электронные системы, использующие различные типы вычислительных блоков. Вычислительными блоками такой системы могут быть процессор общего назначения (GPP), процессор специального назначения (например, цифровой сигнальный процессор (DSP) или графический процессор (GPU)), со-процессор, логика ускорения (специализированная интегральная схема (ASIC) или программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA)). В компьютерной инженерии микроархитектура (англ. microarchitecture; иногда сокращается до µarch или uarch), также называемая организация компьютера — это способ, которым данная архитектура набора команд (ISA, АНК) реализована в процессоре. Каждая АНК может быть реализована с помощью различных микроархитектур. Вычисления с памятью — способ построения вычислительных платформ, в которых используются принцип хранения результатов функций в массивах памяти, одномерных или двухмерных, в виде таблиц поиска, а вычисление функций заменяется извлечением значения из таблиц. Такие вычислительные платформы могут следовать как чисто пространственной модели вычислений, как в ПЛИС, так и временно́й модели вычислений (процедурной), когда функция вычисляется за множество тактов. Второй подход нацелен на уменьшение избыточности… Симметричная многопроцессорность (англ. Symmetric Multiprocessing, сокращённо SMP) — архитектура многопроцессорных компьютеров, в которой два или более одинаковых процессора сравнимой производительности подключаются единообразно к общей памяти (и периферийным устройствам) и выполняют одни и те же функции (почему, собственно, система и называется симметричной). В английском языке SMP-системы носят также название tightly coupled multiprocessors, так как в этом классе систем процессоры тесно связаны… Магистральный параллельный интерфейс (МПИ) — стандарт, определяющий набор линий и процедуры обмена процессора и периферийных модулей внутри ЭВМ с применением совмещенной (мультиплексной) шины адреса и данных. Стандарт предусматривает скорость обмена до 5,6 Мбайт/с при разрядности передаваемых данных 8 или 16 бит и разрядности адреса от 16 до 24 бит и был ориентирован на использование в системах малой и средней производительности. Требования стандарта изложены в ОСТ 11.305.903-80 и ГОСТ… В области компьютеризации под аппаратным ускорением понимают применение аппаратного обеспечения для выполнения некоторых функций быстрее по сравнению с выполнением программ процессором общего назначения. Примерами аппаратного ускорения может служить блоковое ускорение выполнения в графическом процессоре и инструкции комплексных операций в микропроцессоре.

Подробнее: Аппаратное ускорение

Процессор машинного зрения (англ. Vision processing unit, VPU) — новый класс специализированных микропроцессоров являющихся разновидностью ИИ-ускорителей, предназначенных для аппаратного ускорения работы алгоритмов машинного зрения. Агрегирование каналов (англ. link aggregation) — технологии объединения нескольких параллельных каналов передачи данных в сетях Ethernet в один логический, позволяющие увеличить пропускную способность и повысить надёжность. В различных конкретных реализациях агрегирования используются альтернативные наименования: транкинг портов (англ. port trunking), связывание каналов (link bundling), склейка адаптеров (NIC bonding), сопряжение адаптеров (NIC teaming). Hardware Abstraction Layer (HAL, Слой аппаратных абстракций) — слой абстрагирования, реализованный в программном обеспечении, находящийся между физическим уровнем аппаратного обеспечения и программным обеспечением, запускаемом на этом компьютере. HAL предназначен для скрытия различий в аппаратном обеспечении от основной части ядра операционной системы, таким образом, чтобы большая часть кода, работающая в режиме ядра, не нуждалась в изменении при её запуске на системах с различным аппаратным обеспечением… Микроконтро́ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Чипсе́т (англ. chipset) — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора заданных функций. КАМАК (англ. CAMAC — Computer Automated Measurement and Control) — стандарт, определяющий организацию магистрально-модульной шины, предназначенной для связи измерительных устройств с цифровой аппаратурой обработки данных в системах сбора данных. Появился в 1970-х годах. Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная… Внутрисхемное программирование (англ. in-system programming, сокр. ISP, также in-circuit serial programming, ICSP) — технология программирования электронных компонентов (ПЛИС, микроконтроллеры и т. п.), позволяющая программировать компонент, уже установленный в устройство. До появления этой технологии компоненты программировались перед установкой в устройство, для их перепрограммирования требовалось их извлечение из устройства. Персональный суперкомпьютер — условная характеристика высокопроизводительной электронно-вычислительной машины, ориентированной на решение задач интенсивной числовой обработки, выполненной в компактном корпусе, обычно в форм-факторе настольного компьютера, которая может быть установлена непосредственно на рабочем месте, а не в специально отведенных помещениях, как это необходимо для кластерных суперкомпьютеров. Такие машины используются для работы с приложениями, требующими наиболее интенсивных вычислений… Унифицированная шейдерная модель (англ. Unified shader model) — термин, который используется для описания двух подобных, но вместе с тем и отдельных понятий: унифицированная шейдерная архитектура (англ. Unified Shading Architecture), которая описывает аппаратный уровень, и унифицированная шейдерная модель, которая описывает программный уровень. Се́рвер (англ. server от англ. to serve — служить, мн. ч. се́рверы) — [[Специализированная вычислительная машина или специализированное оборудование для выполнения на нём сервисного программного обеспечения (в том числе серверов тех или иных задач). Руткит (англ. rootkit, то есть «набор root-а») — набор программных средств (например, исполняемых файлов, скриптов, конфигурационных файлов), обеспечивающих… Векторный процессор — это процессор, в котором операндами некоторых команд могут выступать упорядоченные массивы данных — векторы. Отличается от скалярных процессоров, которые могут работать только с одним операндом в единицу времени. Абсолютное большинство процессоров является скалярными или близкими к ним. Векторные процессоры были распространены в сфере научных вычислений, где они являлись основой большинства суперкомпьютеров начиная с 1980-х до 1990-х. Но резкое увеличение производительности… Аппара́тное обеспече́ние, аппаратные средства, компьютерные комплектующие, «железо», (англ. hardware) — электронные и механические части вычислительного устройства, входящие в состав системы или сети, исключая программное обеспечение и данные (информацию, которую вычислительная система хранит и обрабатывает). Аппаратное обеспечение включает: компьютеры и логические устройства, внешние устройства и диагностическую аппаратуру, энергетическое оборудование, батареи и аккумуляторы. К аппаратному обеспечению… Систе́мное програ́ммное обеспе́чение — комплекс программ, которые обеспечивают управление компонентами компьютерной системы, такими как процессор, оперативная память, устройства ввода-вывода, сетевое оборудование, выступая как «межслойный интерфейс», с одной стороны которого аппаратура, а с другой — приложения пользователя. Мультипроцессор (от англ. multiprocessor, multiprocessing) — это подкласс многопроцессорных компьютерных систем, где есть несколько процессоров и одно адресное пространство, видимое для всех процессоров. В таксономии Флинна мультипроцессоры относятся к классу SM-MIMD-машин. Мультипроцессор запускает одну копию ОС с одним набором таблиц, в том числе тех, которые следят какие страницы памяти свободны. Крейтовой системой, а также магистрально-модульной системой называют тип стандартизированной радиоэлектронной системы, включающий в себя реализацию не только электрических, но и конструкционно-механических стандартов, которые определяют установку унифицированных модулей в специализированное механическое шасси, крейт.

Подробнее: Крейтовая система

Софт-модем (винмодем) — модем, у которого реализовано только DSP, а обработка, кодирование данных и исправление ошибок осуществляется программным обеспечением (драйвером). В «обычных» модемах эти операции (так же, как и обработка интерфейса командной строки (AT-команды) осуществляется процессором модема). Программи́руемая по́льзователем ве́нтильная ма́трица (ППВМ, англ. field-programmable gate array, FPGA) — полупроводниковое устройство, которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления; отсюда название: «программируемая пользователем». ППВМ программируются путём изменения логики работы принципиальной схемы, например, с помощью исходного кода на языке проектирования (типа VHDL), на котором можно описать эту логику работы микросхемы. ППВМ является одной из архитектурных… Микроко́д — программа, реализующая набор инструкций процессора. Так же как одна инструкция языка высокого уровня преобразуется в серию машинных инструкций, в процессоре, использующем микрокод, каждая машинная инструкция реализуется в виде серии микроинструкций — микропрограммы, микрокода. Мод-чип (модчи́п, калька с англ. modchip — modification microchip) — устройство, плата (на микросхеме, чипе), которое используется для того, чтобы обойти технические средства защиты авторских прав во многих популярных игровых приставках, включая игровые консоли компаний Microsoft (серия Xbox), Sony (серия PlayStation) и Nintendo (GameCube, Wii) с целью запуска копий лицензионных игр и приложений, а также программ собственной разработки (homebrew). Мо́дульное программи́рование — это организация программы как совокупности небольших независимых блоков, называемых модулями, структура и поведение которых подчиняются определённым правилам. Использование модульного программирования позволяет упростить тестирование программы и обнаружение ошибок. Аппаратно-зависимые подзадачи могут быть строго отделены от других подзадач, что улучшает мобильность создаваемых программ. Архитектура системы для энтузиастов (англ. Enthusiast System Architecture, сокр. ESA) — свободный от роялти протокол для двустороннего взаимодействия компонентов персонального компьютера, опубликованный в 2007 году. Применяется для отслеживания температуры таких компонентов компьютерного аппаратного обеспечения, как корпус и блок питания. Последняя (на данный момент) версия спецификации ESA 1.0 была выпущена в 2007 году. ESA был создан корпорацией Nvidia в сотрудничестве с рядом других компаний… Операцио́нная систе́ма, сокр. ОС (англ. operating system, OS) — комплекс взаимосвязанных программ, предназначенных для управления ресурсами компьютера и организации взаимодействия с пользователем. Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, IC (англ.)), микросхе́ма, м/сх, чип (англ. chip «тонкая пластинка»: первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Подробнее: Интегральная схема

Суперскалярный процессор (англ. superscalar processor) — процессор, поддерживающий так называемый параллелизм на уровне инструкций (то есть, процессор, способный выполнять несколько инструкций одновременно) за счёт включения в состав его вычислительного ядра нескольких одинаковых функциональных узлов (таких как АЛУ, FPU, умножитель (integer multiplier), сдвигающее устройство (integer shifter) и другие устройства). Планирование исполнения потока инструкций осуществляется динамически вычислительным…

Подробнее: Суперскалярность

Программируемая аналоговая интегральная схема — Карта знаний

  • Программируемая аналоговая интегральная схема (ПАИС; англ. Field-programmable analog array) — набор базовых ячеек, которые могут быть сконфигурированы и соединены между собой для реализации наборов аналоговых функций: фильтров, усилителей, интеграторов, сумматоров, ограничителей, делителей, выпрямителей, и т. д. Особенностью схемы является полное или частичное изменение аналоговой схемы во время функционирования или изменение характеристик некоторых элементов схем (например, полосы пропускания или добротности фильтра).

Источник: Википедия

Связанные понятия

Цифровой фильтр — в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и/или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие от цифрового, аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства недискретны, соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов. Электронная схема — это сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, соединённых между собой. Различные комбинации компонентов позволяют выполнять множество как простых, так и сложных операций, таких как усиление сигналов, обработка и передача информации и т. д. Инве́ртор (лат. inverto — поворачивать, переворачивать) — элемент вычислительной машины, осуществляющий определённые преобразования сигнала. Различают два основных типа инверторов: аналоговые и цифровые. Фильтр Са́ллена — Ки — один из типов активных электронных фильтров 2-го порядка. Аналоговый функциона́льный блок, блок операционный — совокупность элементов АВМ структурного типа, которые реализуют какую-либо одну математическую операцию. Эти элементы объединяются в систему для решения задач в соответствии со структурной схемой модели, образуя модель задачи. Подстро́ечный рези́стор — переменный резистор, пассивный электронный компонент, предназначенный для точной настройки заданных параметров радио- и электронных устройств в процессе их выпуска из производства при настройке после монтажа или в процессе ремонта. Интегра́тор, блок интегри́рования — техническое устройство, выходной сигнал (выходная величина, выходной параметр) которого пропорционален интегралу, обычно по времени, от входного сигнала. Каскадная система фильтров — это последовательное соединение адаптивных или детерминированных фильтров (радиотехнических), обеспечивающие повышение фильтрующих свойств системы. Цепочка фильтров (радиотехнических) позволяет добиться аналогичного результата, что и один эквивалентный более сложный, дорогостоящий фильтр. Составляющие каскадов — фильтры могут быть простыми фильтрами (низких порядков). В работе А.В.Оппенгейма и Р.В.Шаффера отмечено, что в качестве эквивалентного линейного фильтра высокого… Яче́йка Ги́лберта (англ. Gilbert cell) в электронике — схема четырёхквадрантного аналогового умножителя, предложенная Барри Гилбертом в 1968 году. Она представляет собой ядро умножителя на трёх дифференциальных каскадах, дополненное диодными преобразователями входных напряжений — в токи (V1, V2 на схемах). Ячейка Гилберта, в модифицированной бета-зависимой форме, выполняет функцию смесителя или балансного модулятора в большинстве современных радиоприёмников и сотовых телефонов. Линейный фильтр — динамическая система, применяющая некий линейный оператор ко входному сигналу для выделения или подавления определённых частот сигнала и других функций по обработке входного сигнала. Линейные фильтры широко применяются в электронике, цифровой обработке сигналов и изображений, в оптике, теории управления и других областях. Фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (Рекурсивный фильтр, БИХ-фильтр) или IIR-фильтр (IIR сокр. от infinite impulse response — бесконечная импульсная характеристика) — линейный электронный фильтр, использующий один или более своих выходов в качестве входа, то есть образующий обратную связь. Основным свойством таких фильтров является то, что их импульсная переходная характеристика имеет бесконечную длину во временной области, а передаточная функция имеет дробно-рациональный вид. Такие фильтры… Проектирование на основе стандартных ячеек (англ. standard cell) — метод проектирования интегральных схем с преобладанием цифровых элементов. В данном методе наиболее низкий уровень проектирования СБИС скрыт от проектировщика абстрактными логическими элементами (например, узел NAND). Методология проектирования на базе ячеек позволяет одним разработчикам сфокусироваться на высокоуровневом аспекте цифрового дизайна, когда другие разработчики работают над физическими реализациями ячеек. Вместе с достижениями… Компара́тор аналоговых сигналов (от лат. comparare — сравнивать) — сравнивающее устройство) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая сигнал высокого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе («+») больше, чем на инвертирующем (инверсном) входе («−»), и сигнал низкого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе меньше, чем на инверсном входе. Значение выходного сигнала компаратора при равенстве входных напряжений, в общем случае не определено. Обычно в логических… Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент (интегральная микросхема), используемый для создания конфигурируемых цифровых электронных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программатор и IDE (отладочная среда), позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в…

Подробнее: ПЛИС

Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей. Преобразователь частоты — электрическая цепь, осуществляющая преобразование частоты и включающая гетеродин, смеситель и полосовой фильтр (в отдельных случаях полосовой фильтр может отсутствовать). Микропроцессорная секция, аббревиатура МПС; также, многокристальный секционный микропроцессор — большая интегральная схема (БИС), предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Матрица макроячеек (англ. Macrocell array) — подход в разработке и производстве интегральных схем специального назначения (ASIC), при котором значительную часть будущей микросхемы составляют заранее изготовленные матрицы из стандартизированных (хорошо-утилизируемых) единиц — макроячеек.По существу, это следующий небольшой шаг на базе ранее разработанной технологии базового матричного кристалла (англ. gate array), также широко используемой при производстве программируемых логических интегральных схем… Генератор тактовых импульсов (генератор тактовой частоты) предназначен для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах, таймерах и других. Он вырабатывает электрические импульсы (обычно прямоугольной формы) заданной частоты, которая часто используется как эталонная — считая количество импульсов, можно, например, измерять временные интервалы. Аналого-цифровые преобразователи прямого преобразования (англ. flash ADC, direct-conversion ADC) являются самыми быстрыми из АЦП, но требуют больших аппаратных затрат. . Программи́руемая по́льзователем ве́нтильная ма́трица (ППВМ, англ. field-programmable gate array, FPGA) — полупроводниковое устройство, которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления; отсюда название: «программируемая пользователем». ППВМ программируются путём изменения логики работы принципиальной схемы, например, с помощью исходного кода на языке проектирования (типа VHDL), на котором можно описать эту логику работы микросхемы. ППВМ является одной из архитектурных… Разработка синхронных цифровых интегральных схем на уровне передач данных между регистрами (англ. register transfer level, RTL — уровень регистровых передач) — способ разработки синхронных (англ.) цифровых интегральных схем, при применении которого работа схемы описывается в виде последовательностей логических операций, применяемых к цифровым сигналам (данным) при их передаче от одного регистра к другому (не описывается, из каких электронных компонентов или из каких логических вентилей состоит схема…

Подробнее: Уровень регистровых передач

Нагрузочная способность — параметр выхода микросхемы, характеризуемый быстродействием и выходным током драйвера, определяющим количество подключаемых входов микросхем или прямой токовой нагрузки для подключения реле, светодиода или какого-либо другого элемента. Программируемый операционный усилитель — операционный усилитель (ОУ), все внутренние токи покоя которого задаются при помощи внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ. Другими словами, внешний ток «программирует» значение потребляемого операционным усилителем тока. Фазовый фильтр — электронный или любой другой фильтр, пропускающий все частоты сигнала с равным усилением, однако изменяющий фазу сигнала. Происходит это при изменении задержки пропускания по частотам. Обычно такой фильтр описывается одним параметром — частотой, на которой фазовый сдвиг достигает 90°. Идеальным фазовым фильтром, который сдвигает все частотные составляющие на 90°, является фильтр Гильберта (ядро свёртки представляет собой функцию h(t) = 1/(πt)). Тиристорный коммутатор — электронное устройство, предназначенное для управления электрическими нагрузками. В качестве силовых элементов используются тиристоры или симисторы. Синтезатор частот — устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприёмниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты. Стабильность… Векторная широтно-импульсная модуляция (не путать с векторным управлением) — один из методов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), использующийся для управления активными трёхфазными преобразователями. При векторной модуляции вычисляются не мгновенные значения напряжений, прикладываемых к обмоткам, а моменты подключения обмоток к силовому мосту с целью формирования заданного вектора напряжения (что и отображено в названии метода). Существуют различные способы векторной ШИМ. В частности, некоторые способы… Динамическая логика (или тактированная логика) — методология разработки комбинационных схем, при которой проектируемая схема работает по тактам. Реализуется, в частности, по технологии КМОП. Применяется при проектировании интегральных схем. Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных. Функциональная схема — документ, разъясняющий процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия (установки) или изделия (установки) в целом. Функциональная схема является экспликацией (поясняющим материалом) отдельных видов процессов, протекающих в целостных функциональных блоках и цепях устройства. Кольцевой генератор — электронное устройство, состоящее из нечётного числа инвертирующих каскадов или цифровых инверторов и служащее для генерации последовательности прямоугольных импульсов. Генерация возникает за счёт того, что коэффициент усиления цепи элементов больше единицы, а фазовая задержка более 180 градусов. Замыкание входа и выхода одиночного каскада, как правило, не приводит к генерации, так как выполняется только первое условие. Один инвертирующий каскад с линией задержки (Фиг. 1) в… Матричный процессор — процессор ЭВМ, представляющий собой сеть, состоящую из более простых процессоров, обладающих своей собственной памятью, работающих параллельно и обменивающихся информацией со своими ближайшими соседями. Преимуществами матричного процессора являются: отсутствие ограничения на быстродействие, обусловленного конечной скоростью распространения сигналов; устойчивость работы по отношению к повреждениям отдельных процессоров в узлах сети. Матричные процессоры используются для моделирования… Диодно-транзисторная логика (ДТЛ), англ. Diode–transistor logic (DTL) — технология построения цифровых схем на основе биполярных транзисторов, диодов и резисторов. Своё название технология получила благодаря реализации логических функций (например, 2И) с помощью диодных цепей, а усиления и инверсии сигнала — с помощью транзистора (для сравнения см. резисторно-транзисторная логика и транзисторно-транзисторная логика). Измери́тельный усили́тель, инструмента́льный усилитель, электрометри́ческий вычитатель — разновидность дифференциального усилителя с улучшенными параметрами, пригоден для использования в измерительном и тестирующем оборудовании. Интегральный таймер — «сленговое» название распространённой интегральной микросхемы, на которой можно собрать путём добавления времязадающих резисторов и конденсаторов автоколебательный, либо ждущий генератор прямоугольных импульсов. Аналоговый фильтр — разновидность электронных, механических, или звуковых фильтров, имеющих дело с аналоговыми или непрерывными сигналами, такими как напряжение, звук или механическое движение. В отличие от них цифровые фильтры имеют дело с дискретными сигналами. Вычисления с памятью — способ построения вычислительных платформ, в которых используются принцип хранения результатов функций в массивах памяти, одномерных или двухмерных, в виде таблиц поиска, а вычисление функций заменяется извлечением значения из таблиц. Такие вычислительные платформы могут следовать как чисто пространственной модели вычислений, как в ПЛИС, так и временно́й модели вычислений (процедурной), когда функция вычисляется за множество тактов. Второй подход нацелен на уменьшение избыточности… Регистр — устройство для записи, хранения и считывания n-разрядных двоичных данных и выполнения других операций над ними. Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, IC (англ.)), микросхе́ма, м/сх, чип (англ. chip «тонкая пластинка»: первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Подробнее: Интегральная схема

Мультивибра́тор — релаксационный генератор электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Интегра́льно-инжекцио́нная ло́гика (распространённые аббревиатуры ИИЛ, И2Л, И2Л, И3Л, I2L, IIL, I2L) — схемотехника и технология изготовления логических элементов на биполярных транзисторах. Аналоговое устройство, аналоговая аппаратура — аппаратура, предназначенная для работы с аналоговыми сигналами.Аналоговые электронные устройства (АЭУ) — это устройства усиления и обработки Аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Аттенюа́тор (фр. attenuer — смягчить, ослабить) — устройство для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения интенсивности электрических или электромагнитных колебаний, как средство измерений является мерой ослабления электромагнитного сигнала, но также его можно рассматривать и как измерительный преобразователь. ГОСТ 28324-89 определяет аттенюатор как элемент для снижения уровня сигналов, обеспечивающий фиксированное или регулируемое затухание. Схема кодирования — одна из схем (алгоритм + технология) кодирования и передачи данных в сетях GPRS/EGPRS. Делитель мощности — общее название группы многополюсников СВЧ, осуществляющих разделение потока мощности электрического колебания, поступающего на вход (входной порт, входное плечо), между несколькими выходами (портами, плечами) и (или) объединяющего такие потоки мощности с нескольких входов в одном выходе. Цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС), известный еще как схема прямого цифрового синтеза (DDS) — электронный прибор, предназначенный для синтеза сигналов произвольной формы и частоты из единственной опорной частоты, поставляемой генератором тактовых импульсов. Характерной особенностью ЦВС является то, что отсчеты синтезируемого сигнала вычисляются цифровыми методами, после чего передаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), где и происходит их преобразование в аналоговую форму (напряжение…

Интегральная схема (микросхема)

Интегральная схема (микросхема) – миниатюрное электронное устройство, состоящее из большого количества радиоэлектронных элементов, конструктивно и электрически связанных между собой. Обычно интегральная схема создается для выполнения конкретной функции. По сути, микросхема объединяет в себе какую-то электронную схему, где все элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы) и электрические связи между ними конструктивно выполнены на одном кристалле. Поскольку размеры отдельных компонентов очень малы (микро- и нанометры), то на одном кристалле при современном развитии технологий, можно поместить более миллиона электронных компонентов.

 

У понятия интегральная схема есть несколько синонимов: микросхема, микрочип, чип. Несмотря на некоторую особенность определения этих терминов и разницу между ними, в обиходе все они применяются для обозначения интегральной схемы. В современных электронных устройствах самых различных сфер применения, начиная от бытовых приборов и заканчивая сложными медицинскими и научными электроприборами, сложно найти прибор, в котором бы не применялись интегральные схемы. Иногда одна микросхема выполняет практически все функции в электронном приборе.

Интегральные схемы делятся на группы по нескольким критериям. По степени интеграции – количеству элементов, размещенных на кристалле. По типу обрабатываемого сигнала: цифровые, аналоговые и аналого-цифровые. По технологии их производства и используемых материалов – полупроводниковые, пленочные и т.д.

На сегодняшний день уровень развития технологий при производстве интегральных схем находится на очень высоком уровне. Повышения степени интеграции, улучшение параметров интегральных схем тормозится не технологическими ограничениями, а процессами, происходящими на молекулярном уровне в используемых для производства материалах (обычно полупроводниках). Поэтому исследования производителей и разработчиков микрочипов ведутся в направлении поиска новых материалов, которые смогли бы заменить полупроводники.

< Предыдущая   Следующая >

История отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ)

50-летию официальной даты посвящается

Б. Малашевич

12 сентября 1958 года сотрудник фирмы Texas Instruments (TI) Джек Килби продемонстрировал руководству три странных прибора — склеенные пчелиным воском на стеклянной подложке устройства из двух кусочков кремния размером 11,1?1,6 мм (рис.1). Это были объёмные макеты – прототипы интегральной схемы (ИС) генератора, доказывающие возможность изготовления всех элементов схемы на основе одного полупроводникового материала. Эта дата отмечается в истории электроники как день рождения интегральных схем. Но так ли это?

Рис. 1. Макет первой ИС Дж. Килби. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

К концу 1950-х годов технология сборки радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) из дискретных элементов исчерпала свои возможности. Мир пришёл к острейшему кризису РЭА, требовались радикальные меры. К этому моменту в США и СССР уже были промышленно освоены интегральные технологии производства, как полупроводниковых приборов, так и толстоплёночных и тонкопленочных керамических плат, т. е. созрели предпосылки для выхода из этого кризиса путем создания многоэлементных стандартных изделий – интегральных схем.

К интегральным схемам (микросхемам, ИС) относятся электронные устройства различной сложности, в которых все однотипные элементы изготавливаются одновременно в едином технологическом цикле, т.е. по интегральной технологии. В отличие от печатных плат (в которых в едином цикле по интегральной технологии одновременно изготавливаются все соединительные проводники) в ИС аналогично формируются и резисторы, и конденсаторы, и (в полупроводниковых ИС) диоды и транзисторы. Кроме того, одновременно изготавливается много ИС, от десятков, до тысяч.

ИС разрабатываются и выпускаются промышленностью в виде серий, объединяющий ряд микросхем различного функционального назначения, предназначенных для совместного применения в электронной аппаратуре. ИС серии имеют стандартное конструктивное исполнение и единую систему электрических и иных характеристик. ИС поставляются производителем разным потребителям как самостоятельная товарная продукция, удовлетворяющая определенной системе стандартизованных требований. ИС относятся к неремонтируемым изделиям, при ремонте РЭА вышедшие из строя ИС заменяются.

Различают две основные группы ИС: гибридные и полупроводниковые.

В гибридных ИС (ГИС) на поверхности подложки микросхемы (как правило, из керамики) по интегральной технологии формируются все проводники и пассивные элементы. Активные элементы в виде бескорпусных диодов, транзисторов и кристаллов полупроводниковых ИС, устанавливаются на подложку индивидуально, вручную или автоматами.

В полупроводниковых ИС соединительные, пассивные и активные элементы формируются в едином технологическом цикле на поверхности полупроводникового материала (обычно кремния) с частичным вторжением в его объём методами диффузии. Одновременно на одной пластине полупроводника, в зависимости от сложности устройства и размеров его кристалла и пластины, изготавливается от нескольких десятков до нескольких тысяч ИС. Промышленность полупроводниковые ИС выпускает в стандартных корпусах, в виде отдельных кристаллов или в виде неразделенных пластин.

Явление миру гибридных (ГИС) и полупроводниковых ИС происходило по-разному. ГИС является продуктом эволюционного развития микромодулей и технологии монтажа на керамических платах. Поэтому появились они незаметно, общепринятой даты рождения ГИС и общепризнанного автора не существует. Полупроводниковые ИС были естественным и неизбежным результатом развития полупроводниковой техники, но потребовавшим генерации новых идей и создания новой технологии, у которых есть и свои даты рождения, и свои авторы. Первые гибридные и полупроводниковые ИС появились в СССР и США почти одновременно и независимо друг от друга.

Первые гибридные ИС

К гибридным относятся ИС, в производстве которых сочетается интегральная технология изготовления пассивных элементов с индивидуальной (ручной или автоматизированной) технологией установки и монтажа активных элементов.

Еще в конце 1940-х годов в фирме Centralab в США были разработаны основные принципы изготовления толстоплёночных печатных плат на керамической основе, развитые затем другими фирмами. В основу были положены технологии изготовления печатных плат и керамических конденсаторов. От печатных плат взяли интегральную технологию формирования топологии соединительных проводников – шелкографию. От конденсаторов – материал подложки (керамика, чаще ситал), а также материалы паст и термическую технологию их закрепления на подложке.

А в начале 1950-х годов в фирме RCA изобрели тонкоплёночную технологию: распыляя в вакууме различные материалы и осаждая их через маску на специальные подложки, научились на единой керамической подложке одновременно изготавливать множество миниатюрных плёночных соединительных проводников, резисторов и конденсаторов.

По сравнению с толстоплёночной, тонкоплёночная технология обеспечивала возможность более точного изготовления элементов топологии меньших размеров, но требовала более сложного и дорогостоящего оборудования. Устройства, изготавливаемые на керамических платах по толстоплёночной или тонкоплёночной технологии, получили название “гибридные схемы”. Гибридные схемы выпускались как комплектующие изделия собственного производства, их конструкция, размеры, функциональное назначение у каждого изготовителя были свои, на свободный рынок они не попадали, а потому мало известны.

Вторглись гибридные схемы и в микромодули. Сначала в них применялись дискретные пассивные и активные миниатюрные элементы, объединённые традиционным печатным монтажом. Технология сборки была сложной, с огромной долей ручного труда. Поэтому микромодули были весьма дорогими, их применение было ограничено бортовой аппаратурой. Затем применили толстопленочные миниатюрные керамические платки. Далее по толстопленочной технологии начали изготавливать резисторы. Но диоды и транзисторы использовались ещё дискретные, индивидуально корпусированные.

Гибридной интегральной схемой микромодуль стал в тот момент, когда в нём применили бескорпусные транзисторы и диоды и герметизировали конструкцию в общем корпусе. Это позволило значительно автоматизировать процесс их сборки, резко снизить цены и расширить сферу применения. По методу формирования пассивных элементов различают толстоплёночные и тонкоплёночные ГИС.

Первые ГИС в СССР

Первые ГИС (модули типа “Квант” позже получившие обозначение ИС серии 116) в СССР были разработаны в 1963 г . в НИИРЭ (позже НПО “Ленинец”, Ленинград) и в том же году его опытный завод начал их серийное производство. В этих ГИС в качестве активных элементов использовались полупроводниковые ИС “Р12- 2” , разработанные в 1962 г . Рижским заводом полупроводниковых приборов. В связи с неразрывностью историй создания этих ИС и их характеристик, мы рассмотрим их вместе в разделе, посвященном Р12-2.

Бесспорно, модули “Квант” были первыми в мире ГИС с двухуровневой интеграцией – в качестве активных элементов в них использовались не дискретные бескорпусные транзисторы, а полупроводниковые ИС. Вполне вероятно, что они вообще были и первыми в мире ГИС – конструктивно и функционально законченными многоэлементными изделиями, поставляемыми потребителю как самостоятельная товарная продукция. Самым ранним из выявленных автором зарубежных подобных изделий являются ниже описанные SLT -модули корпорации IBM , но они были анонсированы в следующем, 1964 г .

Первые ГИС в США

Появление толстоплёночных ГИС, как основной элементной базы новой ЭВМ IBM System /360, впервые было анонсировано корпорации IBM в 1964 г . Похоже, что это было первое применение ГИС за пределами СССР, более ранних примеров автору обнаружить не удалось.

Уже известные в то время в кругах специалистов полупроводниковые ИС серий “Micrologic” фирмы Fairchild и » SN -51″ фирмы TI (о них мы скажем ниже) были ещё недоступно редки и непозволительно дороги для коммерческого применения, каким было построение большой ЭВМ. Поэтому корпорация IBM , взяв за основу конструкцию плоского микромодуля, разработала свою серию толстоплёночных ГИС, анонсированную под общим названием (в отличие от “микромодулей”) – “ SLT -модули” ( Solid Logic Technology – технология цельной логики. Обычно слово “s olid ” переводят на русский язык как “твёрдый”, что абсолютно нелогично. Действительно, термин “ SLT -модули” был введен IBM как противопоставление термину “микромодуль” и должен отражать их отличие. Но оба модуля “твёрдые”, т. е. этот перевод не годится. У слова “ solid ” есть и другие значения – “сплошной”, “целый”, которые удачно подчеркивают различие “ SLT -модулей” и “микромодулей” – SLT -модули неделимы, неремонтопригодны, т. е. “целые”. Поэтому мы и использовали не общепринятый перевод на русский язык: Solid Logic Technology – технология цельной логики).

SLT -модуль представлял собой квадратную керамическую толстоплёночную микроплатку полудюймового размера с впрессованными вертикальными штыревыми выводами. На её поверхность методом шелкографии наносились (согласно схеме реализуемого устройства) соединительные проводники и резисторы, и устанавливались бескорпусные транзисторы. Конденсаторы, при необходимости, устанавливались рядом с SLT -модулем на плате устройства. При внешней почти идентичности (микромодули несколько повыше, рис. 2.) SLT -модули от плоских микромодулей отличались более высокой плотностью компоновки элементов, низким энергопотреблением, высоким быстродействием и высокой надёжностью. Кроме того, SLT -технология достаточно легко автоматизировалась, следовательно их можно было выпускать в огромных количествах при достаточно низкой для применения в коммерческой аппаратуре стоимости. Именно это IBM и было нужно. Фирма построила для производства SLT -модулей автоматизированный завод в East Fishkill близ Нью-Йорка, который выпускал их миллионными тиражами.

Рис. 2. Микромодуль СССР и SLT-модуль ф. IBM. Фото STL с сайта http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

Вслед за IBM ГИС начали выпускать и другие фирмы, для которых ГИС стала товарной продукцией. Типовая конструкция плоских микромодулей и SLT -модулей корпорации IBM стала одним из стандартов для гибридных ИС.

К концу 1950-х годов промышленность имела все возможности для производства дешёвых элементов электронной аппаратуры. Но если транзисторы или диоды изготовлялись из германия и кремния, то резисторы и конденсаторы делали из других материалов. Многие тогда полагали, что при создании гибридных схем не будет проблем в сборке этих элементов, изготовленных по отдельности. А если удастся изготовить все элементы типового размера и формы и тем самым автоматизировать процесс сборки, то стоимость аппаратуры будет значительно снижена. На основании таких рассуждений сторонники гибридной технологии рассматривали её как генеральное направление развития микроэлектроники.

Но не все разделяли это мнение. Дело в том, что уже созданные к тому периоду меза-транзисторы и, особенно, планарные транзисторы, были приспособлены для групповой обработки, при которой ряд операций по изготовлению многих транзисторов на одной пластине-подложке осуществлялись одновременно. Т. е. на одной полупроводниковой пластине изготавливалось сразу множество транзисторов. Затем пластина разрезалась на отдельные транзисторы, которые размещались в индивидуальные корпуса. А затем изготовитель аппаратуры объединял транзисторы на одной печатной плате. Нашлись люди, которым такой подход показался нелепым – зачем разъединять транзисторы, а потом снова объединять их. Нельзя ли их объединить сразу на полупроводниковой пластине? При этом избавиться от нескольких сложных и дорогостоящих операций! Эти люди и придумали полупроводниковые ИС.

Идея предельно проста и совершенно очевидна. Но, как часто бывает, только после того, как кто-то первым её огласил и доказал. Именно доказал, просто огласить часто, как и в данном случае, бывает недостаточно. Идея ИС была оглашена еще в 1952 г ., до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. На ежегодной конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне, сотрудник Британского королевского радиолокационного управления в Малверне Джеффри Даммер представил доклад о надёжности элементов радиолокационной аппаратуры. В докладе он сделал пророческое утверждение: “ С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определенные участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции” . Но этот прогноз остался специалистами незамеченным. Вспомнили о нём только после появления первых полупроводниковых ИС, т. е. после практического доказательства давно оглашенной идеи. Кто-то должен был первым вновь сформулировать и реализовать идею полупроводниковой ИС.

Как и в случае с транзистором, у общепризнанных создателей полупроводниковых ИС были более или менее удачливые предшественники. Попытку реализовать свою идею в 1956 г . предпринял сам Даммер, но потерпел неудачу. В 1953 г . Харвик Джонсон из фирмы RCA получил патент на однокристальный генератор, а в 1958 г . совместно с Торкелом Валлмарком анонсировал концепцию “полупроводникового интегрального устройства”. В 1956 году сотрудник фирмы Bell Labs Росс изготовил схему двоичного счётчика на основе n-p-n-p структур в едином монокристалле . В 1957 г . Ясуро Тару из японской фирмы MITI получил патент на соединение различных транзисторов в одном кристалле. Но все эти и другие им подобные разработки имели частный характер, не были доведены до производства и не стали основой для развития интегральной электроники. Развитию ИС в промышленном производстве способствовали только три проекта.

Удачливыми оказались уже упомянутый Джек Килби из Texas Instruments (TI), Роберт Нойс из Fairchild (оба из США) и Юрий Валентинович Осокин из КБ Рижского завода полупроводниковых приборов (СССР). Американцы создали экспериментальные образцы интегральных схем: Дж. Килби – макет ИС генератора ( 1958 г .), а затем триггер на меза-транзисторах ( 1961 г .), Р. Нойс – триггер по планарной технологии ( 1961 г .), а Ю. Осокин – сразу пошедшую в серийное производство логическую ИС “2НЕ-ИЛИ” на германии ( 1962 г .). Серийное производство ИС эти фирмы начали почти одновременно, в 1962 г .

Первые полупроводниковые ИС в США

ИС Джека Килби. Серия ИС “ SN — 51”

В 1958 году Дж. Килби (пионер применения транзисторов в слуховых аппаратах) перешёл в фирму Texas Instruments. Новичка Килби, как схемотехника, “бросили” на усовершенствование микромодульной начинки ракет путём создания альтернативы микромодулям. Рассматривался вариант сборки блоков из деталей стандартной формы, подобный сборке игрушечных моделей из фигурок LEGO. О днако Килби увлекло иное. Решающую роль сыграл эффект “свежего взгляда”: во-первых, он сразу констатировал, что микромодули – тупик, а во-вторых, налюбовавшись меза-структурами, пришёл к мысли, что схему нужно (и можно) реализовать из одного материала – полупроводника. Килби знал об идее Даммера и его неудачной попытке её реализации в 1956 г . Проанализировав, он понял причину неудачи и нашел способ её преодоления. “ Моя заслуга в том, что взяв эту идею, я превратил её в реальность ” , сказал Дж. Килби позже в своей нобелевской речи.

Не заработав ещё права на отпуск, он без помех трудился в лаборатории, пока все отдыхали. 24 июля 1958 года Килби сформулировал в лабораторном журнале концепцию, получившую название “Идея монолита” (Monolithic Idea). Её суть заключалась в том, что “. ..элементы схемы, такие как резисторы, конденсаторы, распределенные конденсаторы и транзисторы, могут быть интегрированы в одну микросхему — при условии, что они будут выполнены из одного материала… В конструкции триггерной схемы все элементы должны изготавливаться из кремния, причём резисторы будут использовать объёмное сопротивление кремния, а конденсаторы — ёмкости p-n-переходов ” . “ Идея монолита” встретила снисходительно-ироничное отношение со стороны руководства Texas Instruments, потребовавшего доказательств возможности изготовления транзисторов, резисторов и конденсаторов из полупроводника и работоспособности собранной из таких элементов схемы.

В сентябре 1958 г . Килби реализовал свою идею – сделал генератор из склеенных пчелиным воском на стеклянной подложке двух кусочков германия размером 11,1 х 1,6 мм , содержащих диффузионные области двух типов (рис. 1). Эти области и имевшиеся контакты он использовал для создания схемы генератора, соединяя элементы тонкими золотыми проволочками диаметром 100 мкм путём термокомпрессионной сварки. Из одной области создавался мезатранзистор, из другой – RC-цепочка. Собранные три генератора были продемонстрированы руководству компании. При подключении питания они заработали на частоте 1,3 МГц. Это случилось 12 сентября 1958 года. Через неделю аналогичным образом Килби изготовил усилитель. Но это ещё не были интегральные структуры, это были объёмные макеты полупроводниковых ИС, доказывающие идею изготовления всех элементов схемы из одного материала – полупроводника.

Рис. 3. Триггер Type 502 Дж. Килби. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Первой действительно интегральной схемой Килби, выполненной в одном кусочке монолитного германия , оказалась экспериментальная ИС триггера “ Type 502” (рис. 3). В ней были использованы и объёмное сопротивление германия, и ёмкость p-n-перехода. Её презентация состоялась в марте 1959 года . Небольшое количество таких ИС было изготовлено в лабораторных условиях и продавалось в узком кругу по цене 450$. ИС содержала шесть элементов: четыре меза-транзистора и два резистора, размещённых на кремниевой пластине диаметром 1 см . Но ИС Килби имела серьёзный недостаток – меза-транзисторы, которые в виде микроскопических “активных” столбиков возвышались над остальной, “пассивной” частью кристалла. Соединение меза-столбиков друг с другом в ИС Килби осуществлялось развариванием тонких золотых проволочек – ненавистная всем “волосатая технология”. Стало ясно, что при таких межсоединениях микросхему с большим количеством элементов не сделать – проволочная паутина разорвется или перезамкнется. Да и германий в то время уже рассматривался как материал не перспективный. Прорыв не состоялся.

К этому времени в фирме Fairchild была разработана планарная кремниевая технология. Учитывая все это, Texas Instruments пришлось отложить всё сделанное Килби в сторонку и приступить, уже без Килби, к разработке серии ИС на основе планарной кремниевой технологии. В октябре 1961 г . фирма анонсировала создание серии ИС типа SN -51, а с 1962 г . начала их серийное производство и поставки в интересах Минобороны США и НАСА.

ИС Роберта Нойса. Серия ИС “ Micrologic

В 1957 г . по ряду причин от У. Шокли, изобретателя плоскостного транзистора, ушла группа в восемь молодых инженеров, которые хотели попробовать реализовать собственные идеи. “Восьмерка предателей”, как их называл Шокли, лидерами которых были Р. Нойс и Г. Мур, основала фирму Fairchild Semiconductor (“прекрасное дитя”) . Возглавил фирму Роберт Нойс, было ему тогда 23 года.

В конце 1958 года физик Д. Хорни, работавший в компании Fairchild Semiconductor, разработал планарную технологию изготовления транзисторов. А физик чешского происхождения Курт Леховек, работавший в Sprague Electric, разработал технику использования обратно включенного n — p перехода для электрической изоляции компонентов. В 1959 году Роберт Нойс, прослышав про макет ИС Килби, решил попробовать создать интегральную схему, комбинируя процессы, предложенные Хорни и Леховеком. А вместо “волосатой технологии” межсоединений Нойс предложил избирательное напыление тонкого слоя металла поверх изолированных двуокисью кремния полупроводниковых структур с подключением к контактам элементов через отверстия, оставленные в изолирующем слое. Это позволило “погрузить” активные элементы в тело полупроводника, изолировав их окислом кремния, а затем соединить эти элементы напылёнными дорожками алюминия или золота, которые создаются при помощи процессов фотолитографии, металлизации и травления на последней стадии изготовления изделия. Таким образом, был получен действительно “монолитный” вариант объединения компонентов в единую схему, а новая технология получила название “планарной”. Но сначала нужно было идею проверить.

Рис. 4. Экспериментальный триггер Р. Нойса. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Рис. 5. Фотография ИС Micrologic в журнале Life. Фото с сайта http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

В августе 1959 г . Р. Нойс поручил Джою Ласту проработать вариант ИС на планарной технологии. Сначала, как и Килби, изготовили макет триггера на нескольких кристаллах кремния, на которых было сделано 4 транзистора и 5 резисторов. Затем 26 мая 1960 г . изготовили первый однокристальный триггер. Для изоляции элементов в нём с обратной стороны кремниевой пластины протравливали глубокие канавки, заполняемые эпоксидной смолой. 27 сентября 1960 г . изготовили третий вариант триггера (рис. 4), в котором элементы изолировались обратно включенным p — n переходом.

Фирма Fairchild Semiconductor до этого времени занималась только транзисторами, схемотехников для создания полупроводниковых ИС у неё не было. Поэтому в качестве разработчика схем был приглашен Роберт Норман из фирмы Sperry Gyroscope . Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, которую фирма с его подачи и выбрала в качестве основы своей будущей серии ИС “Micrologic”, нашедшей своё первое применение в аппаратуре ракеты “Минитмен”. В марте 1961 г . Fairchild анонсировала первую опытную ИС этой серии ( F -триггер, содержащий шесть элементов: четыре биполярных транзистора и два резистора, размещённых на пластине диаметром 1 см .) с опубликованием её фотографии (рис. 5) в журнале Life (от 10 марта 1961 г .). Ещё 5 ИС были анонсированы в октябре. А с начала 1962 г . Fairchild развернула серийное производство ИС и поставки их также в интересах Минобороны США и НАСА.

Килби и Нойсу пришлось выслуш ать немало критических замечаний по поводу своих новаций. Считалось, что практический выход годных интегральных схем будет очень низким. Понятно, что он должен быть ниже, чем у транзисторов (поскольку содержит несколько транзисторов), у которых он тогда был не выше 15%. Во-вторых, многие полагали, что в интегральных схемах используются неподходящие материалы, поскольку резисторы и конденсаторы делались тогда отнюдь не из полупроводников. В третьих, многие не могли воспринять мысль неремонтопригодности ИС. Им казалось кощунственным выбрасывать изделие, в котором вышел из строя только один из многих элементов. Все сомнения постепенно были отброшены, когда интегральные схемы были успешно использованы в военных и космических программах США.

Один из основателей фирмы Fairchild Semiconductor Г. Мур сформулировал основной закон развития кремниевой микроэлектроники, согласно которому число транзисторов в кристалле интегральной схемы удваивалось каждый год. Этот закон, названный “закон Мура”, довольно чётко действовал в течение первых 15 лет (начиная с 1959 г .), а затем такое удвоение происходило приблизительно за полтора года.

Далее индустрия ИС в США начала развиваться стремительными темпами. В США начался лавинообразный процесс возникновения предприятий, ориентированных исключительно “под планар”, иногда доходило до того, что регистрировались по десятку фирм в неделю. Стремясь к ветеранам (фирмам У. Шокли и Р. Нойса), а также благодаря налоговым льготам и сервису, представляемому Стенфордским университетом, “новички” кучковались главным образом в долине Санта-Клара (Калифорния). Поэтому неудивительно, что в 1971 г . в обиход с легкой руки журналиста-популяризатора технических новинок Дона Хофлера в обращение вошел романтически-техногенный образ “Кремниевой долины” (Silicon Valley), навсегда ставший синонимом Мекки полупроводниковой технологической революции. Кстати, в той местности действительно имеется славившаяся ранее многочисленными абрикосовыми, вишневыми и сливовыми садами долина, имевшая до появления в ней фирмы Шокли другое, более приятное название – Долина сердечного удовольствия (the Valley of Heart’s Delight), ныне, к сожалению, почти забытое.

В 1962 год в США началось серийное производство интегральных схем, хотя их объём поставок заказчикам и составил всего лишь несколько тысяч. Сильнейшим стимулом для развития приборостроительной и электронной промышленности на новой основе явилась ракетно-космическая техника. США не имели тогда таких же мощных межконтинентальных баллистических ракет, как советские, и для увеличения заряда были вынуждены пойти на максимальное сокращение массы носителя, в том числе систем управления, за счёт внедрения последних достижений электронной технологии. Фирмы Texas Instrument и Fairchild Semiconductor заключили крупные контракты на разработку и изготовление интегральных схем с министерством обороны США и с НАСА.

Первые полупроводниковые ИС в СССР

К концу 1950-х годов советская промышленность нуждалась в полупроводниковых диодах и транзисторах настолько, что потребовались радикальные меры. В 1959 году были основаны заводы полупроводниковых приборов в Александрове, Брянске, Воронеже, Риге и др. В январе 1961 года ЦК КПСС и СМ СССР приняли очередное Постановление “О развитии полупроводниковой промышленности”, в котором предусматривалось строительство заводов и НИИ в Киеве, Минске, Ереване, Нальчике и других городах.

Нас будет интересовать один их новых заводов – выше упомянутый Рижский завод полупроводниковых приборов (РЗПП, он несколько раз менял свои названия, для простоты мы используем наиболее известное, действующее и ныне). В качестве стартовой площадки новому заводу выделили строящееся здание кооперативного техникума площадью 5300 м 2 , одновременно началось строительство специального здания. К февралю 1960 года на заводе было уже создано 32 службы, 11 лабораторий и опытное производство, приступившее в апреле к подготовке производства первых приборов. На заводе уже работало 350 человек, 260 из которых в течение года направлялись на учёбу в московский НИИ-35 (позже НИИ “Пульсар”) и на ленинградский завод “Светлана”. А к концу 1960 года численность работающих достигла 1900 человек. Первоначально технологические линии размещались в перестроенном спортивном зале корпуса кооперативного техникума, а лаборатории ОКБ – в бывших учебных аудиториях. Первые приборы (сплавно-диффузионные и конверсионные германиевые транзисторы П-401, П-403, П-601 и П-602 разработки НИИ-35) завод выпустил через 9 месяцев после подписания приказа о его создания, в марте 1960 года. А к концу июля изготовил первую тысячу транзисторов П-401. Затем освоил в производстве многие другие транзисторы и диоды. В июне 1961 года завершилось строительство специального корпуса, в котором началось массовое производство полупроводниковых приборов.

С 1961 года завод приступил к самостоятельным технологическим и опытно-конструкторским работам, в том числе – по механизации и автоматизации производства транзисторов на основе фотолитографии. Для этого был разработан первый отечественный фотоповторитель (фотоштамп) – установка совмещения и контактной фотопечати (разработчик А.С. Готман). Большую помощь в финансировании и изготовлении уникального оборудования оказывали предприятия Минрадиопрома, в том числе КБ-1 (позже НПО “Алмаз”, Москва) и НИИРЭ. Тогда наиболее активные разработчики малогабаритной радиоаппаратуры, не имея своей технологической полупроводниковой базы, искали пути творческого взаимодействия с недавно созданными полупроводниковыми заводами.

Рис. 6. Рекламный буклет

На РЗПП проводились активные работы по автоматизации производства германиевых транзисторов типа П401 и П403 на основе создаваемой заводом технологической линии “Аусма”. Её главный конструктор (ГК) А.С. Готман предложил делать на поверхности германия токоведущие дорожки от электродов транзистора к периферии кристалла, чтобы проще разваривать выводы транзистора в корпусе. Но главное, эти дорожки можно было использовать в качестве внешних выводов транзистора при бескорпусной их сборке на платы (содержащие соединительные и пассивные элементы), припаивая их непосредственно к соответствующим контактным площадкам (фактически предлагалась технология создания гибридных ИС). Предлагаемый метод, при котором токоведущие дорожки кристалла как бы целуются с контактными площадками платы, получил оригинальное название – “поцелуйная технология”. Но из-за ряда оказавшихся тогда неразрешимыми технологических проблем, в основном связанных с проблемами точности получения контактов на печатной плате, практически реализовать “поцелуйную технологию” не удалось. Через несколько лет подобная идея была реализована в США и СССР и нашла широкое применение в так называемых “шариковых выводах” и в технологии “чип-на-плату”.

Тем не менее, аппаратурные предприятия, сотрудничающие с РЗПП, в том числе НИИРЭ, надеялись на “поцелуйную технологию” и планировали её применение. Весной 1962 года, когда стало понятно, что её реализация откладывается на неопределённый срок, главный инженер НИИРЭ В.И. Смирнов попросил директора РЗПП С.А. Бергмана найти другой путь реализации многоэлементной схемы типа 2НЕ-ИЛИ, универсальной для построения цифровых устройств.

Рис. 7. Эквивалентная схема ИС Р12-2 (1ЛБ021) . Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

Первая ИС и ГИС Юрия Осокина. Твердая схема Р12-2 (ИС серий 102 и 116 )

Директор РЗПП поручил эту задачу молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину. Организовали отдел в составе технологической лаборатории, лаборатории разработки и изготовления фотошаблонов, измерительной лаборатории и опытно-производственной линейки. В то время в РЗПП была поставлена технология изготовления германиевых диодов и транзисторов, ее и взяли за основу новой разработки. И уже осенью 1962 года были получены первые опытные образцы германиевой твёрдой схемы 2НЕ-ИЛИ (поскольку термина ИС тогда не существовало, из уважения к делам тех дней сохраним название “твёрдая схема” – ТС), получившей заводское обозначение “Р12- 2” . Сохранился рекламный буклет 1965 г . на Р12-2 (рис. 6), информацией и иллюстрациями из которого мы воспользуемся. ТС Р12-2 содержала два германиевых p — n — p -транзистора (модифицированные транзисторы типа П401 и П403) с общей нагрузкой в виде распределённого германиевого резистора р-типа (рис.7).

Перед рижанами стояли принципиально новые задачи: реализовать на одном кристалле два транзистора и два резистора, исключив их паразитное взаимное влияние. В СССР никто ничего подобного не делал, а о работах Дж. Килби и Р. Нойса никакой информации в РЗПП не было. Но специалисты РЗПП успешно преодолели эти проблемы, причём совершенно не так, как это сделали американцы.

Рис. 8. Структура ИС Р12-2. Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

Рис. 9. Габаритный чертеж ТС Р12-2. Рисунок из проспекта ИС от 1965 г.

В отличие от Texas Instruments, рижане сумели создать вполне технологичные ИС на германиевых меза-транзисторах. Основой техпроцесса стали три фотолитографии. В ходе первой на пластине р-германия с сформированным n-слоем под базовую область (методом диффузии Sb) создавалась маска под эмиттер. Через неё гальванически осаждали и вплавляли эмиттерный сплав PbInSb (т. е. в теле базы n-типа формировали p-область эмиттера). Затем одновременно с удалением использованного фоторезиста удалялись и излишки эмиттерного сплава так, что образовывалась плоская поверхность германиевой пластины, что упрощает последующие фотолитографии. При второй фотолитографии формировали маску под мезу транзисторных структур (так решался вопрос изоляции транзисторов). Третья фотолитография производится для придания требуемой конфигурации кристаллу ТС. Р. Нойс изолировал полупроводниковые структуры ИС от периферийных частей кристалла (что бы исключить их паразитное влияние на работу схемы) обратно включенные p — n переходы. Ю.В. Осокин ничего об этом не знал и поступил иначе. При помощи третьей фотолитографии он просто убрал из кристалла ненужные и мешающие части германия. В результате получали сложную в плане конфигурацию кристалла в виде лопатки (рис. 8), где p-германий “черенка” служил резистором R1, острие “штыка” лопатки – резистором R2, а сам “штык” лопатки являлся коллекторной областью транзисторов. По третьей маске осуществлялось глубокое, почти сквозное травление германиевой пластины по контурам кристаллов ТС, почти до их разделения. Окончательно пластина разделялась на кристаллы ТС при шлифовке её тыльной стороны до толщины около 100 мкм, ТС структуры при этом распадались на отдельные кристаллы сложной формы. Именно так была реализована групповая технология изготовления ТС (в отличие от Ю. Осокина Р. Нойс делал только одну ИС на пластине, см. рис. 4 и 5).

Внешние выводы формируются термокомпрессионной сваркой между германиевыми областями ТС структуры и золотом выводных проводников. Это обеспечивает устойчивую работу схем при внешних воздействиях в условиях тропиков и морского тумана, что особенно важно для работы в военно-морских квазиэлектронных АТС, выпускаемых рижским заводом ВЭФ, так же заинтересовавшимся этой разработкой.

Конструктивно ТС Р12-2 (и последующая за ней Р12-5) были выполнены в виде “таблетки” (рис.9) из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм . В неё размещался кристалл ТС и заливался полимерным компаундом, из которого выходили короткие внешние концы выводов из мягкой золотой проволоки диаметром 50 мкм, приваренные к кристаллу. Масса Р12-2 не превышала 25 мг. В таком исполнении ТС были устойчивы к воздействию относительной влажности 80% при температуре окружающей среды 40 ° С и к циклическим изменениям температуры от -60 ° до 60 ° С.

К концу 1962 года опытное производство РЗПП выпустило около 5 тыс. ТС Р12-2, а в 1963 году их было сделано несколько десятков тысяч. Таким образом, 1962 год стал годом рождения микроэлектронной промышленности в США и СССР.

Рис. 10. Группы ТС Р12-2

Рис. 11. Основные электрические характеристики Р12-2

Полупроводниковая технология тогда находилась на стадии становления и ещё не гарантировала строгой повторяемости параметров. Поэтому работоспособные приборы рассортировывали по группам параметров (это часто делают и в наше время). Так же поступили и рижане, установив 8 типономиналов ТС Р12-2 (рис. 10). Все другие электрические и иные характеристики у всех типономиналов одинаковы (рис. 11).

Выпуск ТС Р12-2 начался одновременно с проведением ОКР “Твердость”, завершившимся в 1964 году (ГК Ю.В. Осокин). В рамках этой работы была разработана усовершенствованная групповая технология серийного производства германиевых ТС на основе фотолитографии и гальванического осаждения сплавов через фотомаску. Её основные технические решения зарегистрированы как изобретение Осокина Ю.В. и Михаловича Д.Л. (А.С. №36845). В издававшемся с грифом “секретно” журнале “Спецрадиоэлектроника” вышло несколько статей Ю.В. Осокина в соавторстве со специалистами КБ-1 И.В. Ничего, Г.Г. Смолко и Ю.Е. Наумовым с описанием конструкции и характеристик ТС Р12-2 (и последовавшей за ней ТС Р12-5).

Конструкция Р12-2 была всем хороша, кроме одного – потребители не умели применять такие маленькие изделия с тончайшими выводами. Ни технологии, ни оборудования для этого у аппаратурных фирм, как правило, не было. За всё время выпуска Р12-2 и Р12-5 их применение освоили НИИРЭ, Жигулевский радиозавод Минрадиопрома, ВЭФ, НИИП (с 1978 года НПО “Радиоприбор”) и немногие другие предприятия. Понимая проблему, разработчики ТС совместно с НИИРЭ сразу же продумали второй уровень конструкции, который одновременно увеличил плотность компоновки аппаратуры.

Рис. 12. Модуль из 4 ТС Р12-2

В1963 г. в НИИРЭ в рамках ОКР “Квант” (ГК А.Н. Пелипенко, при участии Е.М. Ляховича) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре ТС Р12-2 (рис.12). На микроплату из тонкого стеклотекстолита размещали от двух до четырёх ТС Р12-2 (в корпусе), реализующих в совокупности определённый функциональный узел. На плату впрессовывали до 17 выводов (число менялось для конкретного модуля) длиной 4 мм . Микроплату помещали в металлическую штампованную чашечку размером 21,6 ? 6,6 мм и глубиной 3,1 мм и заливали полимерным компаундом. В результате получилась гибридная интегральная схема (ГИС) с двойной герметизацией элементов. И, как мы уже говорили, это была первая в мире ГИС с двухуровневой интеграцией, а, возможно, вообще первая ГИС. Было разработано восемь типов модулей с общим названием “Квант”, выполнявших различные логические функции. В составе таких модулей ТС Р12-2 сохраняли работоспособность при воздействии постоянных ускорений до 150 g и вибрационных нагрузок в диапазоне частот 5–2000 Гц с ускорением до 15 g .

Модули “Квант” сначала выпускало опытное производство НИИРЭ, а затем их передали на Жигулевский радиозавод Минрадиопрома СССР, поставлявший их различным потребителям, в том числе заводу ВЭФ.

ТС Р12-2 и модули “Квант” на их основе хорошо зарекомендовали себя и широко применялись. В 1968 году вышел стандарт, устанавливающий единую в стране систему обозначений интегральных схем, а в 1969 году – Общие технические условия на полупроводниковые (НП0.073.004ТУ) и гибридные (НП0.073.003ТУ) ИС с единой системой требований. В соответствии с этими требованиями в Центральном бюро по применению интегральных схем (ЦБПИМС, позже ЦКБ “Дейтон”, Зеленоград) 6 февраля 1969 года на ТС были утверждены новые технические условия ЩТ3.369.001-1ТУ. При этом в обозначении изделия впервые появился термин “интегральная схема” серии 102. ТС Р12-2 стали называться ИС: 1ЛБ021В, 1ЛБ021Г, 1ЛБ021Ж, 1ЛБ021И. Фактически это была одна ИС, рассортированная на четыре группы по выходному напряжению и нагрузочной способности.

Рис. 13. ИС серии 116 и 117

А 19 сентября 1970 года в ЦБПИМС были утверждены технические условия АВ0.308.014ТУ на модули “Квант”, получившие обозначение ИС серии 116 (рис.13). В состав серии входило девять ИС: 1ХЛ161, 1ХЛ162 и 1ХЛ163 – многофункциональные цифровые схемы; 1ЛЕ161 и 1ЛЕ162 – два и четыре логических элемента 2НЕ-ИЛИ; 1ТР161 и 1ТР1162 – один и два триггера; 1УП161 – усилитель мощности, а также 1ЛП161 – логический элемент «запрет» на 4 входа и 4 выхода. Каждая их этих ИС имела от четырёх до семи вариантов исполнения, отличающихся напряжением выходных сигналов и нагрузочной способностью, всего было 58 типономиналов ИС. Исполнения маркировались буквой после цифровой части обозначения ИС, например, 1ХЛ161Ж. В дальнейшем номенклатура модулей расширялась. ИС серии 116 фактически были гибридными, но по просьбе РЗПП были маркированы как полупроводниковые (первая цифра в обозначении – “ 1” , у гибридных должно быть “ 2” ).

В 1972 году совместным решением Минэлектронпрома и Минрадиопрома производство модулей было передано из Жигулевского радиозавода на РЗПП. Это исключило транспортировку ИС серии 102 на дальние расстояния, поэтому отказались от герметизации кристалла каждой ИС. В результате упростилась конструкция ИС и 102-й, и 116-й серий: отпала необходимость корпусировать ИС серии 102 в металлическую чашечку с заливкой компаундом. Бескорпусные ИС серии 102 в технологической таре поступали в соседний цех на сборку ИС серии 116, монтировались непосредственно на их микроплату и герметизировались в корпусе модуля.

В середине 1970-х годов вышел новый стандарт на систему обозначений ИС. После этого, например, ИС 1ЛБ021В получила обозначение 102ЛБ1В.

Вторая ИС и ГИС Юрия Осокина. Твердая схема Р12-5 (ИС серий 103 и 117 )

К началу 1963 года в результате серьёзных работ по разработке высокочастотных n — p — n транзисторов коллектив Ю.В. Осокина накопил большой опыт работы с p -слоями на исходной n -германиевой пластине. Это и наличие всех необходимых технологических компонентов позволило Осокину в 1963 году приступить к разработке новой технологии и конструкции более быстродействующего варианта ТС. В 1964 году по заказу НИИРЭ была завершена разработка ТС Р12-5 и модулей на её основе. По её результатам в 1965 году была открыта ОКР “Паланга” (ГК Ю.В. Осокин, его заместитель – Д.Л. Михалович, завершена в 1966 году). Разрабатывались модули на основе Р12-5 в рамках той же ОКР “Квант”, что и модули на Р12-2. Одновременно с техническими условиями на серии 102 и 116 были утверждены технические условия ЩТ3.369.002-2ТУ на ИС серии 103 (Р12-5) и АВ0.308.016ТУ на ИС серии 117 (модули на основе ИС серии 103). Номенклатура типов и типономиналов ТС Р12-2, модулей на них и серий ИС 102 и 116 была идентична номенклатуре ТС Р12-5 и ИС серий 103 и 117, соответственно. Отличались они только быстродействием и технологией изготовления кристалла ИС. Типовое время задержки распространения сигнала серии 117 составило 55 нс против 200 нс в серии 116.

Конструктивно ТС Р12-5 представляла собой четырёхслойную полупроводниковую структуру (рис.14), где подложка n -типа и эммитеры p + -типа подсоединялись к общей шине “земли”. Основные технические решения построения ТС Р12-5 зарегистрированы как изобретение Осокина Ю.В., Михаловича Д.Л. Кайдалова Ж.А и Акменса Я.П. (А.С. №248847). При изготовлении четырехслойной структуры ТС Р12-5 важным ноу-хау было формирование в исходной германиевой пластине n -типа p -слоя. Это достигалось диффузией цинка в кварцевой отпаянной ампуле, где пластины располагаются при температуре около 900 ° С, а цинк – в другом конце ампулы при температуре около 500 ° С. Дальнейшее формирование структуры ТС в созданном p -слое аналогично ТС Р12-2. Новая технология позволила уйти от сложной формы кристалла ТС. Пластины с Р12-5 также шлифовались с тыльной стороны до толщины около 150 мкм с сохранением части исходной пластины, далее они скрайбировались на отдельные прямоугольные кристаллы ИС.

Рис. 14. Структура кристалла ТС Р12-5 из АС №248847. 1 и 2 – земля, 3 и 4 – входы, 5 – выход, 6 — питание

После первых положительных результатов изготовления опытных ТС Р12-5, по заказу КБ-1 была открыта НИР “Мезон- 2” , направленная на создание ТС с четырьмя Р12-5. В 1965 году получены действующие образцы в плоском металлокерамическом корпусе. Но Р12-5 оказалась сложной в производстве, главным образом – из-за сложности формирования легированного цинком p -слоя на исходной n — Ge пластине. Кристалл оказался трудоёмким в изготовлении, процент выхода годных низкий, стоимость ТС высокая. По этим же причинам ТС Р12-5 выпускалась в небольших объёмах и вытеснить более медленную, но технологичную Р12-2 она не смогла. А НИР “Мезон- 2” вообще не получил продолжения, в том числе – из-за проблем межсоединений.

К этому времени в НИИ “Пульсар” и в НИИМЭ уже широким фронтом велись работы по развитию планарной кремниевой технологии, обладающей рядом преимуществ перед германиевой, главные из которых – более высокий диапазон рабочих температур (+150°С у кремния и +70°С у германия) и наличии у кремния естественной защитной пленки SiO 2 . А специализация РЗПП была переориентирована на создание аналоговых ИС. Поэтому специалисты РЗПП посчитали развитие германиевой технологии для производства ИС нецелесообразным. Однако при производстве транзисторов и диодов германий ещё какое-то время не сдавал своих позиций. В отделе Ю.В. Осокина уже после 1966 года были разработаны и производились РЗПП германиевые планарные малошумящие СВЧ транзисторы ГТ329, ГТ341, ГТ 383 и др. Их создание было отмечено Государственной премией Латвийской СССР.

Применение

Рис. 15. Арифметическое устройство на твердосхемных модулях. Фото из буклета ТС от 1965 г.

Рис. 16. Сравнительные габариты устройства управления АТС, выполненного на реле и ТС. Фото из буклета ТС от 1965 г.

Заказчиками и первыми потребителями ТС Р12-2 и модулей были создатели конкретных систем: ЭВМ “Гном” (рис. 15) для бортовой самолетной системы “Купол” (НИИРЭ, ГК Ляхович Е.М.) и военно-морских и гражданских АТС (завод ВЭФ, ГК Мисуловин Л.Я.). Активно участвовало на всех стадиях создания ТС Р12-2, Р12-5 и модулей на их и КБ-1, главным куратором этого сотрудничества от КБ-1 был Н.А. Барканов. Помогали финансированием, изготовлением оборудования, исследованиями ТС и модулей в различных режимах и условиях эксплуатации.

ТС Р12-2 и модули “Квант” на её основе были первыми микросхемами в стране. Да и в мире они были среди первых – только в США начинали выпускать свои первые полупроводниковые ИС фирмы Texas Instruments и Fairchild Semiconductor , а в 1964 г . корпорация IBM начала выпуск толстопленочных гибридных ИС для своих ЭВМ. В других странах об ИС ещё и не задумывались. Поэтому интегральные схемы для общественности были диковинкой, эффективность их применения производила поразительное впечатление и обыгрывалась в рекламе. В сохранившемся буклете на ТС Р12-2 от 1965 года (на основе уже реальных применений) сказано: “ Применение твёрдых схем Р12-2 в бортовых вычислительных устройствах позволяет в 10–20 раз сократить вес и габариты этих устройств, уменьшить потребляемую мощность и увеличить надёжность работы. … Применение твёрдых схем Р12-2 в системах управления и коммутации трактов передачи информации АТС позволяет сократить объём управляющих устройств примерно в 300 раз, а также значительно снизить потребление электроэнергии (в 30—50 раз )” . Эти утверждения иллюстрировались фотографиями арифметического устройства ЭВМ “Гном” (рис. 15) и сравнением выпускаемой тогда заводом ВЭФ стойки АТС на основе реле с маленьким блочком на ладони девушки (рис.16). Были и другие многочисленные применения первых рижских ИС.

Производство

Сейчас трудно восстановить полную картину объёмов производства ИС серий 102 и 103 по годам (сегодня РЗПП из крупного завода превратился в небольшое производство и многие архивы утеряны). Но по воспоминаниям Ю.В. Осокина, во второй половине 1960-х годов производство исчислялось многими сотнями тысяч в год, в 1970-х годах – миллионами. По сохранившимся его личным записям в 1985 году было выпущено ИС серии 102 – 4 100 000 шт., модулей серии 116 – 1 025 000 шт., ИС серии 103 – 700 000 шт., модулей серии 117 – 175 000 шт.

В конце 1989 года Ю.В. Осокин, тогда генеральный директор ПО “Альфа”, обратился к руководству Военно-промышленной комиссии при СМ СССР (ВПК) с просьбой о снятии серий 102, 103, 116 и 117 с производства ввиду их морального старения и высокой трудоёмкости (за 25 лет микроэлектроника далеко ушла вперед), но получил категорический отказ. Заместитель председателя ВПК В.Л. Коблов сказал ему, что самолеты летают надёжно, замена исключается. После распада СССР ИС серий 102, 103, 116 и 117 выпускались ещё до середины 1990-х годов, т. е. более 30 лет. ЭВМ “Гном” до сих пор стоят в штурманской кабине “Ил- 76” и некоторых других самолетов. “Это суперкомпьютер”, – не теряются наши лётчики, когда зарубежные коллеги удивленно интересуются невиданным ныне агрегатом.

О приоритетах

Несмотря на то, что у Дж. Килби и Р. Нойса были предшественники, именно они признаны мировой общественностью в качестве изобретателей интегральной схемы.

Р. Килби и Дж. Нойс через свои фирмы подали заявки на выдачу патента на изобретение интегральной схемы. Texas Instruments подала заявку на патент раньше, в феврале 1959 г ., а Fairchild сделала это только в июле того же года. Но патент под номером 2981877 выдали в апреле 1961 г . Р. Нойсу. Дж. Килби подал в суд и только в июне 1964 г . получил свой патент под номером 3138743. Потом была десятилетняя война о приоритетах, в результате которой (редкий случай) “победила дружба”. В конечном счёте, Апелляционный Суд подтвердил претензии Р. Нойса на первенство в технологии, но постановил считать Дж. Килби создателем первой работающей микросхемы. А Texas Instruments и Fairchild Semiconductor подписали договор о кросс-лицензировании технологий.

В СССР патентование изобретений авторам ничего, кроме хлопот, ничтожной разовой выплаты и морального удовлетворения не давало, поэтому многие изобретения вообще не оформлялись. И Осокин тоже не спешил. Но для предприятий количество изобретений было одним из показателей, так что их всё же приходилось оформлять. Поэтому Авторское свидетельство СССР за №36845 на изобретение ТС Р12-2 Ю. Осокина и Д. Михалович получили только 28 июня 1966 года.

А Дж. Килби в 2000 г . за изобретение ИС стал одним из лауреатов Нобелевской премии. Р. Нойс не дождался мирового признания, он скончался в 1990 г ., а п о положению Нобелевская премия не присваивается посмертно. Что, в данном случае, не совсем справедливо, поскольку вся микроэлектроника пошла по пути, начатом Р. Нойсом. Авторитет Нойса среди специалистов был настолько высок, что он даже получил прозвище “мэр Кремниевой долины”, поскольку был тогда самым популярным из ученых, работавших в той части Калифорнии, которая получила неофициальное название Silicon Valley (В. Шокли называли “Моисеем Кремниевой долины”). А путь Дж. Килби (“волосатый” германий) оказался тупиковым, и не был реализован даже в его фирме. Но жизнь не всегда справедлива.

Нобелевская премия была присвоена троим ученым. Половину её получил 77-летний Джек Килби, а вторую половину разделили между академиком Российской академии наук Жоресом Алферовым и профессором Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, американцем немецкого происхождения Гербертом Кремером, за “развитие полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной оптоэлектронике”.

Оценивая эти работы, эксперты отметили, что “интегральные схемы есть, безусловно, открытие века, оказавшее сильнейшее влияние на общество и мировую экономику”. Для всеми забытого Дж. Килби присуждение Нобелевской премии оказалось сюрпризом. В интервью журналу Europhysics News он признался: “ В то время я лишь думал о том, что было бы важным для развития электроники с точки зрения экономики. Но я не понимал тогда, что снижение стоимости электронных изделий вызовет лавинный рост электронных технологий” .

А работы Ю. Осокина не оценены не только Нобелевским комитетом. Забыты они и в нашей стране, приоритет страны в создании микроэлектроники не защищен. А он бесспорно был.

В 1950-е годы была создана материальная основа для формирования в одном монолитном кристалле или на одной керамической подложке многоэлементных изделий – интегральных схем. Поэтому не удивительно, что почти одновременно идея ИС независимо возникла в головах многих специалистов. А оперативность внедрения новой идеи зависела от технологических возможностей автора и заинтересованности изготовителя, т. е. от наличия первого потребителя. В этом отношении Ю. Осокин оказался в лучшем положении, чем его американские коллеги. Килби был новичком в TI , ему даже пришлось доказывать руководству фирмы принципиальную возможность реализации монолитной схемы изготовлением её макета. Собственно роль Дж. Килби в создании ИС сводится к перевоспитанию руководства TI и в провокации своим макетом Р. Нойса к активным действиям. В серийное производство изобретение Килби не пошло. Р. Нойс в своей молодой и ещё не окрепшей компании пошёл на создание новой планарной технологии, которая действительно стала основой последующей микроэлектроники, но поддалась автору не сразу. В связи с вышесказанным им обоим и их фирмам пришлось потратить немало сил и времени для практической реализации своих идей по построению серийноспособных ИС. Их первые образцы остались экспериментальными, а в серийное производство пошли уже другие микросхемы, даже не ими разработанные. В отличие от Килби и Нойса, которые были далеки от производства, заводчанин Ю. Осокин опирался на промышленно освоенные полупроводниковые технологии РЗПП, и у него были гарантированные потребители первых ТС в виде инициатора разработки НИИРЭ и рядом расположенного завода ВЭФ, помогавших в данной работе. По этим причинам уже первый вариант его ТС сразу пошел в опытное, плавно перешедшее в серийное производство, которое непрерывно продолжалось более 30 лет. Таким образом, начав разработку ТС позже Килби и Нойса, Ю. Осокин (не зная об этом соревновании) быстро догнал их. Причём работы Ю. Осокина никак не связаны с работами американцев, свидетельство тому абсолютная непохожесть его ТС и реализованных в ней решений на микросхемы Килби и Нойса. Производство своих ИС Texas Instruments (не изобретение Килби), Fairchild и РЗПП начали почти одновременно, в 1962 году. Это дает полное право рассматривать Ю. Осокина одним из изобретателей интегральной схемы наравне с Р. Нойсом и более, чем Дж. Килби, а часть нобелевской премии Дж. Килби было бы справедливо поделить с Ю. Осокиным. Что же касается изобретения первой ГИС с двухуровневой интеграцией (а возможно и ГИС вообще) то здесь приоритет А. Пелипенко из НИИРЭ абсолютно бесспорен.

Автор благодарен Ю.В. Осокину , А.А. Васенкову и С.В. Якубовскому (с его богатым архивом в ЦКБ “Дейтон”, открытым для всех интересующихся историей), оказавшим неоценимую помощь в подготовке статьи.

К сожалению, не удалось найти образцов ТС и приборов на их основе, необходимых для музеев. Автор будет весьма признателен за такие образцы или их фотографии.

Статья помещена в музей 28.10.2008

интегральная схема | Типы, использование и функции

Интегральная схема (ИС) , также называемая микроэлектронной схемой , микрочипом или микросхемой , сборка электронных компонентов, выполненная как единый блок, в котором миниатюрные активные устройства (например, транзисторы и диоды) и пассивные устройства (например, конденсаторы и резисторы) и их межсоединения построены на тонкой подложке из полупроводникового материала (обычно кремния).Таким образом, полученная схема представляет собой небольшую монолитную «микросхему», размер которой может составлять всего несколько квадратных сантиметров или всего несколько квадратных миллиметров. Отдельные компоненты схемы обычно имеют микроскопические размеры.

интегральная схема

Типичная интегральная схема, изображенная на ногте.

Чарльз Фалько / Фотоисследователи

Британская викторина

Гаджеты и технологии: факт или вымысел?

Виртуальная реальность используется только в игрушках? Использовались ли когда-нибудь роботы в бою? В этой викторине вы узнаете о гаджетах и ​​технологиях — от компьютерных клавиатур до флэш-памяти.

Интегральные схемы появились в результате изобретения транзистора в 1947 году Уильямом Б. Шокли и его командой из Bell Laboratories американской телефонной и телеграфной компании. Команда Шокли (включая Джона Бардина и Уолтера Х. Браттейна) обнаружила, что при определенных обстоятельствах электроны будут формировать барьер на поверхности определенных кристаллов, и они научились управлять потоком электричества через кристалл, манипулируя этим барьером.Управление потоком электронов через кристалл позволило команде создать устройство, которое могло бы выполнять определенные электрические операции, такие как усиление сигнала, которые ранее выполнялись с помощью электронных ламп. Они назвали это устройство транзистором, от комбинации слов transfer и resistor . Изучение методов создания электронных устройств с использованием твердых материалов стало известно как твердотельная электроника. Твердотельные устройства оказались намного прочнее, с ними проще работать, они надежнее, меньше по размеру и дешевле, чем электронные лампы.Используя те же принципы и материалы, инженеры вскоре научились создавать другие электрические компоненты, такие как резисторы и конденсаторы. Теперь, когда электрические устройства можно было сделать такими маленькими, самой большой частью цепи была неудобная проводка между устройствами.

транзистор

Первый транзистор, изобретенный американскими физиками Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли.

© Windell Oskay, www.evilmadscientist.com (CC BY 2.0)

В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments, Inc.и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation независимо друг от друга придумали способ дальнейшего уменьшения размера схемы. Они прокладывали очень тонкие дорожки из металла (обычно алюминия или меди) непосредственно на том же куске материала, что и их устройства. Эти маленькие дорожки действовали как провода. С помощью этой техники вся схема может быть «интегрирована» на едином куске твердого материала и таким образом создана интегральная схема (ИС). ИС могут содержать сотни тысяч отдельных транзисторов на едином куске материала размером с горошину.Работать с таким количеством электронных ламп было бы нереально неудобно и дорого. Изобретение интегральной схемы сделало возможными технологии информационной эпохи. В настоящее время ИС широко используются во всех сферах жизни, от автомобилей до тостеров и аттракционов.

Базовые типы ИС

Аналоговые или линейные схемы обычно используют только несколько компонентов и, таким образом, являются одними из самых простых типов ИС. Как правило, аналоговые схемы подключаются к устройствам, которые собирают сигналы из окружающей среды или отправляют сигналы обратно в окружающую среду.Например, микрофон преобразует колеблющиеся вокальные звуки в электрический сигнал переменного напряжения. Затем аналоговая схема модифицирует сигнал некоторым полезным способом — например, усиливает его или фильтрует нежелательный шум. Такой сигнал затем может быть возвращен в громкоговоритель, который будет воспроизводить тона, первоначально уловленные микрофоном. Другое типичное использование аналоговой схемы — управление каким-либо устройством в ответ на постоянные изменения в окружающей среде. Например, датчик температуры посылает изменяющийся сигнал на термостат, который можно запрограммировать на включение и выключение кондиционера, обогревателя или духовки, как только сигнал достигнет определенного значения.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Цифровая схема, с другой стороны, рассчитана на то, чтобы принимать только напряжения определенных заданных значений. Схема, которая использует только два состояния, называется двоичной схемой. При проектировании схемы с двоичными величинами «включено» и «выключено», представляющими 1 и 0 (то есть истина и ложь), используется логика булевой алгебры. (Арифметика также выполняется в двоичной системе счисления с использованием булевой алгебры.) Эти базовые элементы объединены в конструкции ИС для цифровых компьютеров и связанных устройств для выполнения желаемых функций.

логическая схема

Различные комбинации логических схем.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Интегральная схема

«Кремниевый чип» перенаправляется сюда. Для журнала электроники см Silicon Chip. Интегральная схема из микрочипа памяти EPROM, показывающая блоки памяти, поддерживающую схему и тонкие серебряные провода, которые соединяют кристалл интегральной схемы с ножками корпуса.Широкоугольный снимок микрочипа памяти, подробно показанного выше. Микрочипы имеют прозрачное окошко, через которое видна интегральная схема внутри. Окно позволяет стирать содержимое памяти чипа, подвергая его воздействию сильного ультрафиолетового света в ластике.

Интегральная схема или монолитная интегральная схема (также называемая IC , микросхема или микрочип ) представляет собой электронную схему, изготовленную путем узорной диффузии микроэлементов на поверхность тонкой подложки из полупроводниковый материал.Дополнительные материалы осаждаются и формируются рисунки для образования межсоединений между полупроводниковыми приборами.

Интегральные схемы сегодня используются практически во всем электронном оборудовании и произвели революцию в мире электроники. Компьютеры, мобильные телефоны и другие цифровые устройства теперь являются неотъемлемой частью структуры современного общества, что стало возможным благодаря низкой стоимости производства интегральных схем.

Введение

Синтетическая деталь интегральной схемы через четыре слоя межсоединения из планаризованной меди, вплоть до поликремния (розовый), лунок (сероватый) и подложки (зеленый) Создание микросхем

стало возможным благодаря экспериментальным открытиям, показывающим, что полупроводниковые устройства могут выполнять функции электронных ламп, и технологическим достижениям середины 20-го века в производстве полупроводниковых устройств.Интеграция большого количества крошечных транзисторов в небольшую микросхему была огромным улучшением по сравнению с ручной сборкой схем с использованием дискретных электронных компонентов. Возможности массового производства интегральных схем, надежность и подход к проектированию схем, основанный на использовании строительных блоков, обеспечили быстрое внедрение стандартизированных ИС вместо конструкций с использованием дискретных транзисторов.

У ИС есть два основных преимущества перед дискретными схемами: стоимость и производительность. Стоимость низкая, потому что микросхемы со всеми их компонентами печатаются как единое целое с помощью фотолитографии, а не создаются по одному транзистору за раз.Кроме того, для изготовления кристалла ИС в корпусе используется гораздо меньше материала, чем для создания дискретной схемы. Производительность высока, поскольку компоненты переключаются быстро и потребляют мало энергии (по сравнению с их дискретными аналогами) из-за небольшого размера и непосредственной близости компонентов. По состоянию на 2006 год типичные площади микросхем варьируются от нескольких квадратных миллиметров до примерно 350 мм. 2 , с числом транзисторов до 1 миллиона на 1 мм. 2 .

Терминология

Интегральная схема первоначально называлась миниатюрной электронной схемой, состоящей из полупроводниковых устройств, а также пассивных компонентов, прикрепленных к подложке или печатной плате. [1] Эта конфигурация теперь обычно называется гибридной интегральной схемой. Интегральная схема с тех пор стала обозначать монолитную интегральную схему , первоначально известную как монолитная интегральная схема . [2]

Изобретение

Первые разработки интегральной схемы восходят к 1949 году, когда немецкий инженер Вернер Якоби (Siemens AG) [1] подал патент на полупроводниковое усилительное устройство, подобное интегральной схеме. [3] , показывающее пять транзисторов на общей подложке. устроены в виде двухкаскадного усилителя.Якоби описал маленькие и дешевые слуховые аппараты как типичные промышленные применения своего патента. О коммерческом использовании его патента не сообщается.

Идея интегральной схемы была изобретена Джеффри В.А. Даммером (1909–2002), ученым-радаром, работавшим в Королевском радиолокационном учреждении Министерства обороны Великобритании. Даммер представил эту идею общественности на Симпозиуме по прогрессу в создании качественных электронных компонентов в Вашингтоне, округ Колумбия, 7 мая 1952 г. 1956 г.

Предшественником ИС была идея создания небольших керамических квадратов (пластин), каждый из которых содержал единственный миниатюрный компонент. Затем компоненты могут быть интегрированы и соединены в двумерную или трехмерную компактную сетку. Эта идея, которая выглядела очень многообещающей в 1957 году, была предложена американской армии Джеком Килби и привела к недолговечной программе микромодулей (похожей на проект Tinkertoy 1951 года). [5] Однако по мере того, как проект набирал обороты, Килби придумал новый революционный дизайн: IC.

Роберт Нойс доверил Курту Леховеку из Sprague Electric принцип изоляции p-n перехода , вызванный действием смещенного p-n перехода (диода), в качестве ключевой концепции, лежащей в основе ИС. [6]

Вновь принятый на работу в Texas Instruments, Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы в июле 1958 года, успешно продемонстрировав первый работающий интегральный пример 12 сентября 1958 года. [7] В своей патентной заявке от 6 февраля 1959 года Килби описал его новое устройство как «тело из полупроводникового материала»… в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы ». [8] Килби получил Нобелевскую премию по физике 2000 года за свою часть изобретения интегральной схемы. [9] Работа Килби была названа вехой IEEE в 2009 году. [10]

Нойс также выступил с собственной идеей интегральной схемы на полгода позже Килби. Его чип решал многие практические проблемы, которых не было у Килби. Изготовленный в Fairchild Semiconductor, он был сделан из кремния, тогда как чип Килби был сделан из германия.

Fairchild Semiconductor также была родиной первой технологии ИС с кремниевым затвором с самовыравнивающимися затворами, которая лежит в основе всех современных компьютерных микросхем КМОП. Технология была разработана итальянским физиком Федерико Фаггин в 1968 году, который позже присоединился к Intel для разработки самого первого центрального процессора (ЦП) на одном кристалле (Intel 4004), за что он получил Национальную медаль технологий и инноваций в 2010 году.

Поколения

На заре создания интегральных схем на микросхеме можно было разместить всего несколько транзисторов, так как используемый масштаб был большим из-за современной технологии, а производительность производства была низкой по сегодняшним стандартам.Поскольку степень интеграции была небольшой, проектирование было выполнено легко. Со временем миллионы, а сегодня миллиарды, [11] транзисторов можно было разместить на одном кристалле, и создание хорошей конструкции стало задачей, которую нужно было тщательно спланировать. Это привело к появлению новых методов проектирования.

SSI, MSI и LSI

Первые интегральные схемы содержали всего несколько транзисторов. Названные « маломасштабная интеграция » ( SSI ), цифровые схемы, содержащие транзисторы, исчисляемые десятками, обеспечивали, например, несколько логических вентилей, в то время как ранние линейные ИС, такие как Plessey SL201 или Philips TAA320, имели всего два транзистора. .Термин «крупномасштабная интеграция» впервые был использован ученым IBM Рольфом Ландауэром при описании теоретической концепции [ требуется цитирование ] , отсюда и термины SSI, MSI, VLSI и ULSI.

Цепи

SSI имели решающее значение для ранних аэрокосмических проектов, а аэрокосмические проекты помогли вдохновить развитие технологии. И ракета Minuteman, и программа Apollo нуждались в легких цифровых компьютерах для своих инерциальных систем наведения; компьютер наведения Apollo привел к созданию технологии интегральных схем, [12] , в то время как ракета Minuteman вызвала массовое производство.В 1962 году на ракетную программу Minuteman и различные другие программы ВМФ приходилось 4 миллиона долларов на рынке интегральных схем, а к 1968 году расходы правительства США на космос и оборону по-прежнему составляли 37% от общего объема производства в 312 миллионов долларов. Спрос со стороны правительства США поддерживал зарождающийся рынок интегральных схем до тех пор, пока затраты не упали настолько, чтобы позволить фирмам проникнуть на промышленные и, в конечном итоге, на потребительские рынки. Средняя цена за интегральную схему упала с 50 долларов в 1962 году до 2 долларов.33 в 1968 году. [13] Интегральные схемы начали появляться в потребительских товарах на рубеже десятилетий, типичное применение — обработка звука между несущими FM в телевизионных приемниках.

Следующим шагом в развитии интегральных схем, предпринятым в конце 1960-х годов, стали устройства, содержащие сотни транзисторов на каждом кристалле, получившие название « средней интеграции » ( MSI ).

Они были привлекательными с экономической точки зрения, потому что, хотя их производство было немного дороже, чем устройства SSI, они позволяли производить более сложные системы с использованием меньших печатных плат, меньшего объема сборочных работ (из-за меньшего количества отдельных компонентов) и ряда других преимуществ.

Дальнейшее развитие, обусловленное теми же экономическими факторами, привело к «крупномасштабной интеграции » ( LSI ) в середине 1970-х годов с десятками тысяч транзисторов на чип.

Интегральные схемы, такие как 1К-битное ОЗУ, микросхемы калькуляторов и первые микропроцессоры, которые начали производиться в умеренных количествах в начале 1970-х годов, имели менее 4000 транзисторов. Истинные схемы LSI, насчитывающие около 10 000 транзисторов, начали производиться примерно в 1974 году для основной памяти компьютеров и микропроцессоров второго поколения.

СБИС

Основная статья: Очень крупномасштабная интеграция Верхние слои межсоединений на кристалле микропроцессора Intel 80486DX2

Последним этапом процесса разработки, начавшегося в 1980-х годах и продолжающегося до настоящего времени, была «очень крупномасштабная интеграция» (СБИС). Разработка началась с сотен тысяч транзисторов в начале 1980-х годов и продолжается до нескольких миллиардов транзисторов по состоянию на 2009 год.

Для достижения этой повышенной плотности потребовались многочисленные разработки.Производители перешли на более мелкие правила проектирования и более чистые производственные мощности, чтобы они могли производить микросхемы с большим количеством транзисторов и поддерживать соответствующий выход. Путь улучшения процессов был кратко изложен в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS). Инструменты проектирования достаточно усовершенствованы, чтобы сделать эти проекты практичными в разумные сроки. Более энергоэффективная CMOS заменила NMOS и PMOS, что позволило избежать чрезмерного увеличения энергопотребления. Лучшие тексты, такие как знаковый учебник Мида и Конвея, помимо прочего, помогли школам обучить больше дизайнеров.

В 1986 году были представлены первые микросхемы оперативной памяти объемом 1 мегабит, содержащие более миллиона транзисторов. Микропроцессорные микросхемы преодолели отметку в миллион транзисторов в 1989 году и миллиард транзисторов в 2005 году. [14] Тенденция в значительной степени не ослабевает, и в 2007 году были выпущены микросхемы, содержащие десятки миллиардов транзисторов памяти. [15]

ULSI, WSI, SOC и 3D-IC

Чтобы отразить дальнейший рост сложности, термин ULSI , обозначающий «сверхбольшую интеграцию», был предложен для микросхем сложности более 1 миллиона транзисторов.

Интеграция в масштабе пластины (WSI) — это система построения очень больших интегральных схем, в которой используется вся кремниевая пластина для производства одного «суперчипа». Благодаря сочетанию большого размера и уменьшенной комплектации WSI может привести к значительному снижению затрат для некоторых систем, особенно для суперкомпьютеров с массовым параллелизмом. Название взято из термина «очень крупномасштабная интеграция», текущего состояния на момент разработки WSI.

Система на кристалле (SoC или SOC) — это интегральная схема, в которой все компоненты, необходимые для компьютера или другой системы, размещены на одном кристалле.Конструкция такого устройства может быть сложной и дорогостоящей, а сборка разрозненных компонентов на одном куске кремния может снизить эффективность некоторых элементов. Однако эти недостатки компенсируются более низкими затратами на изготовление и сборку, а также значительным сокращением бюджета мощности: поскольку сигналы между компонентами хранятся на кристалле, требуется гораздо меньше энергии (см. «Упаковка»).

Трехмерная интегральная схема (3D-IC) состоит из двух или более слоев активных электронных компонентов, которые интегрированы как по вертикали, так и по горизонтали в единую схему.Для связи между уровнями используется сигнализация на кристалле, поэтому потребляемая мощность намного ниже, чем в эквивалентных отдельных схемах. Разумное использование коротких вертикальных проводов может существенно уменьшить общую длину провода и ускорить работу.

Достижения в области интегральных схем

Кристалл от Intel 8742, 8-битного микроконтроллера, который включает в себя ЦП с тактовой частотой 12 МГц, 128 байт ОЗУ, 2048 байт СППЗУ и ввод-вывод в том же чипе

Среди наиболее совершенных интегральных схем — микропроцессоры или « ядра », которые контролируют все, от компьютеров и сотовых телефонов до цифровых микроволновых печей.Микросхемы цифровой памяти и ASIC — это примеры других семейств интегральных схем, которые важны для современного информационного общества. Хотя стоимость проектирования и разработки сложной интегральной схемы довольно высока, при распределении, как правило, на миллионы производственных единиц, стоимость отдельных ИС минимизируется. Производительность микросхем высока, поскольку небольшой размер позволяет использовать короткие трассы, что, в свою очередь, позволяет использовать логику с низким энергопотреблением (например, CMOS) при высоких скоростях переключения.

ИС

на протяжении многих лет последовательно переходили к более мелким функциям, позволяя разместить больше схем на каждом кристалле.Эту увеличенную емкость на единицу площади можно использовать для снижения стоимости и / или увеличения функциональности — см. Закон Мура, который в его современной интерпретации гласит, что количество транзисторов в интегральной схеме удваивается каждые два года. В целом, с уменьшением размера элемента улучшается почти все — стоимость единицы и потребляемая мощность переключения снижаются, а скорость увеличивается. Тем не менее, ИС с устройствами нанометрового размера не лишены своих проблем, основной из которых является ток утечки (см. Подпороговую утечку для обсуждения этого), хотя эти проблемы не являются непреодолимыми и, вероятно, будут решены или, по крайней мере, улучшены путем введения диэлектрики high-k.Поскольку такое увеличение скорости и энергопотребления очевидно для конечного пользователя, между производителями идет жесткая конкуренция за использование более тонких геометрических фигур. Этот процесс и ожидаемый прогресс в ближайшие несколько лет хорошо описаны в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS).

В текущих исследовательских проектах интегральные схемы также разрабатываются для сенсорных приложений в медицинских имплантатах или других биоэлектронных устройствах. В таких биогенных средах необходимо применять особые стратегии герметизации, чтобы избежать коррозии или биодеградации открытых полупроводниковых материалов. [16] Как один из немногих материалов, хорошо зарекомендовавших себя в КМОП-технологии, нитрид титана (TiN) оказался исключительно стабильным и хорошо подходящим для электродов в медицинских имплантатах. [17] [18]

Классификация

Интегральные схемы

можно разделить на аналоговые, цифровые и смешанные (аналоговые и цифровые на одном кристалле).

Цифровые интегральные схемы

могут содержать от одного до миллионов логических вентилей, триггеров, мультиплексоров и других схем в несколько квадратных миллиметров.Небольшой размер этих схем обеспечивает высокую скорость, низкое рассеивание мощности и снижение стоимости производства по сравнению с интеграцией на уровне платы. Эти цифровые ИС, обычно микропроцессоры, DSP и микроконтроллеры, работают с использованием двоичной математики для обработки сигналов «единица» и «ноль».

Аналоговые ИС, такие как датчики, схемы управления питанием и операционные усилители, работают путем обработки непрерывных сигналов. Они выполняют такие функции, как усиление, активная фильтрация, демодуляция и микширование.Аналоговые ИС облегчают работу проектировщиков схем, поскольку имеют в наличии аналоговые схемы, разработанные экспертами, вместо того, чтобы разрабатывать сложные аналоговые схемы с нуля.

Микросхемы

могут также объединять аналоговые и цифровые схемы на одном кристалле для создания таких функций, как аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи. Такие схемы имеют меньший размер и меньшую стоимость, но должны тщательно учитывать помехи сигнала.

Производство

Производство

Основная статья: Производство полупроводников

Рендеринг небольшой стандартной ячейки с тремя металлическими слоями (диэлектрик удален).Конструкции песочного цвета представляют собой металлические межсоединения, при этом вертикальные стойки представляют собой контакты, как правило, из вольфрама. Красноватые структуры — это вентили из поликремния, а твердое вещество внизу — это объем кристаллического кремния. Схематическая структура КМОП-микросхемы, построенной в начале 2000-х годов. На графике показаны LDD-MISFET на подложке SOI с пятью слоями металлизации и паяным выступом для соединения с перевернутым кристаллом. Он также показывает раздел для FEOL (внешний интерфейс линии), BEOL (внутренний конец строки) и первые части внутреннего процесса.

Полупроводники периодической таблицы химических элементов были определены как наиболее вероятные материалы для твердотельной вакуумной лампы . Начиная с оксида меди и заканчивая германием, а затем кремнием, материалы систематически изучались в 1940-х и 1950-х годах. Сегодня монокристаллы кремния являются основной подложкой, используемой для ИС, хотя некоторые соединения III-V периодической таблицы, такие как арсенид галлия, используются для специализированных приложений, таких как светодиоды, лазеры, солнечные элементы и высокоскоростные интегральные схемы.Потребовались десятилетия, чтобы усовершенствовать методы создания кристаллов без дефектов кристаллической структуры полупроводникового материала.

Полупроводниковые ИС изготавливаются по многослойному процессу, который включает следующие ключевые этапы процесса:

  • Изображения
  • Отложение
  • Офорт

Основные технологические операции дополняются легированием и очисткой.

Монокристаллические кремниевые пластины (или для специальных применений кремний на сапфире или пластинах арсенида галлия) используются в качестве подложки .Фотолитография используется для маркировки различных участков подложки, подлежащих легированию, или для нанесения на них поликремния, изоляторов или металлических (обычно алюминиевых) дорожек.

  • Интегральные схемы состоят из множества перекрывающихся слоев, каждый из которых определяется фотолитографией и обычно отображается разными цветами. Некоторые слои отмечают, где различные легирующие примеси диффундируют в подложку (называемые диффузионными слоями), некоторые определяют места имплантации дополнительных ионов (слои имплантата), некоторые определяют проводники (слои поликремния или металла), а некоторые определяют связи между проводящими слоями ( сквозные или контактные слои).Все компоненты состоят из определенной комбинации этих слоев.
  • В процессе самовыравнивания CMOS транзистор формируется везде, где слой затвора (поликремний или металл) пересекает диффузионный слой.
  • Емкостные структуры, по форме очень похожие на параллельные проводящие пластины традиционного электрического конденсатора, сформированы в соответствии с площадью «пластин» с изоляционным материалом между пластинами. На ИС распространены конденсаторы самых разных размеров.
  • Изогнутые полосы различной длины иногда используются для формирования резисторов на кристалле, хотя большинству логических схем резисторы не нужны.Отношение длины резистивной структуры к ее ширине в сочетании с удельным сопротивлением листа определяет сопротивление.
  • Реже индуктивные структуры могут быть построены в виде крошечных катушек на кристалле или смоделированы гираторами.

Поскольку устройство CMOS потребляет ток только при переходе между логическими состояниями, устройства CMOS потребляют гораздо меньше тока, чем биполярные устройства.

Оперативная память — наиболее обычный тип интегральной схемы; устройства самой высокой плотности, таким образом, являются воспоминаниями; но даже микропроцессор будет иметь память на кристалле.(См. Структуру регулярного массива в нижней части первого изображения.) Хотя структуры сложны — с шириной, которая сокращалась в течение десятилетий — слои остаются намного тоньше, чем ширина устройства. Слои материала изготавливаются так же, как фотографический процесс, хотя световые волны в видимом спектре не могут быть использованы для «обнажения» слоя материала, поскольку они будут слишком большими для деталей. Таким образом, фотоны более высоких частот (обычно ультрафиолетовые) используются для создания рисунков для каждого слоя.Поскольку каждая деталь настолько мала, электронные микроскопы являются важным инструментом для инженера-технолога, который может отлаживать производственный процесс.

Каждое устройство перед упаковкой тестируется с использованием автоматизированного испытательного оборудования (ATE) в процессе, известном как тестирование пластины или зондирование пластины. Затем пластина разрезается на прямоугольные блоки, каждый из которых называется матрицей . Каждая исправная матрица (несколько кубиков , штампов или штампов ) затем соединяется в корпус с помощью алюминиевых (или золотых) соединительных проволок, которые привариваются и / или термозвук прикрепляются к контактным площадкам , обычно расположенным по краю. умирают.После упаковки устройства проходят финальное тестирование на том же или аналогичном ATE, используемом при зондировании пластины. Также можно использовать промышленное компьютерное сканирование. Стоимость испытаний может составлять более 25% стоимости изготовления более дешевых продуктов, но может быть незначительной для низкопроизводительных, больших и / или более дорогих устройств.

По состоянию на 2005 год, строительство завода (обычно известного как полупроводниковая фабрика ) обходилось более чем в 1 миллиард долларов, [19] , потому что большая часть операций автоматизирована.Сегодня в самых передовых процессах используются следующие методы:

Упаковка

Основная статья: Упаковка интегральной схемы Интегральная схема раннего производства СССР

Самые первые интегральные схемы были упакованы в керамические плоские блоки, которые продолжали использоваться военными из-за их надежности и малых размеров в течение многих лет. Коммерческая упаковка схем быстро перешла на двухрядную установку (DIP), сначала из керамики, а затем из пластика. В 1980-х годах количество выводов в схемах СБИС превысило практический предел для корпусов DIP, что привело к корпусам с матрицами выводов (PGA) и безвыводными держателями микросхем (LCC).Корпуса для поверхностного монтажа появились в начале 1980-х и стали популярными в конце 1980-х, с использованием более мелкого шага выводов с выводами в форме крыла чайки или J-образных выводов, примером чего является интегральная схема с малым контуром — носитель, занимающий площадь примерно На 30–50% меньше, чем у эквивалентного DIP, с типичной толщиной на 70% меньше. Эта упаковка имеет выводы типа «крыло чайки», выступающие с двух длинных сторон, и расстояние между выводами 0,050 дюйма.

В конце 1990-х годов пластиковые корпуса с четырьмя плоскими корпусами (PQFP) и тонкие корпуса с малыми габаритами (TSOP) стали наиболее распространенными для устройств с большим количеством выводов, хотя корпуса PGA все еще часто используются для высокопроизводительных микропроцессоров.Intel и AMD в настоящее время переходят от пакетов PGA на высокопроизводительных микропроцессорах к пакетам наземных сетей (LGA).

Корпуса с шариковой решеткой (BGA) существуют с 1970-х годов. Пакеты Flip-chip Ball Grid Array, которые позволяют использовать гораздо большее количество выводов, чем корпуса других типов, были разработаны в 1990-х годах. В корпусе FCBGA кристалл устанавливается в перевернутом положении (переворачивается) и подключается к шарикам корпуса через подложку корпуса, которая похожа на печатную плату, а не с помощью проводов.Пакеты FCBGA позволяют распределять массив сигналов ввода-вывода (называемых Area-I / O) по всему кристаллу, а не ограничиваться периферией кристалла.

Следы, выходящие из кристалла, через корпус и на печатную плату, имеют очень разные электрические свойства по сравнению с сигналами на кристалле. Они требуют специальных методов проектирования и требуют гораздо большей электроэнергии, чем сигналы, поступающие в сам чип.

Когда несколько матриц помещаются в один пакет, он называется SiP, для системы в пакете .Когда несколько матриц объединяются на небольшой подложке, часто керамической, это называется MCM или Multi-Chip Module. Граница между большим MCM и маленькой печатной платой иногда нечеткая.

Маркировка чипа и дата изготовления

Большинство интегральных схем, достаточно больших, чтобы содержать идентифицирующую информацию, включают четыре общих раздела: название или логотип производителя, номер детали, номер партии продукции и / или серийный номер, а также четырехзначный код, который определяет, когда был изготовлен чип.Очень маленькие технологические детали для поверхностного монтажа часто имеют только номер, используемый в справочной таблице производителя для определения характеристик микросхемы.

Дата изготовления обычно представлена ​​двузначным годом, за которым следует двузначный код недели, так что деталь с кодом 8341 была изготовлена ​​на 41 неделе 1983 года, или приблизительно в октябре 1983 года.

Правовая охрана схем размещения полупроводниковых микросхем

Основная статья: Защита конструкции макета интегральной схемы

Как и большинство других форм интеллектуальной собственности, макеты ИС являются творением человеческого разума.Обычно они являются результатом огромных вложений, как в плане времени высококвалифицированных специалистов, так и в финансовом отношении. Существует постоянная потребность в создании новых топологий, которые уменьшают размеры существующих интегральных схем и одновременно увеличивают их функции. Чем меньше интегральная схема, тем меньше материала требуется для ее изготовления и тем меньше места требуется для ее размещения. Интегральные схемы используются в большом количестве товаров, включая предметы повседневного обихода, такие как часы, телевизоры, стиральные машины, автомобили и т. Д., а также сложное оборудование для обработки данных.

Возможность копирования путем фотографирования каждого слоя интегральной схемы и подготовки фотошаблонов для их производства на основе полученных фотографий является основной причиной введения законодательства о защите макетов.

В 1989 г. в Вашингтоне, округ Колумбия, состоялась дипломатическая конференция, на которой был принят Договор об интеллектуальной собственности в отношении интегральных схем (Договор IPIC). Договор об интеллектуальной собственности в отношении интегральных схем, также называемый Вашингтонским договором или договором IPIC (подписанный в Вашингтоне 26 мая 1989 г.), в настоящее время не вступил в силу, но был частично интегрирован в соглашение TRIPs.

Национальные законы, защищающие топологии ИС, приняты в ряде стран.

Прочие разработки

В 1980-х годах были разработаны устройства с программируемой логикой. Эти устройства содержат схемы, логические функции и возможности подключения которых могут быть запрограммированы пользователем, а не фиксироваться производителем интегральных схем. Это позволяет программировать одну микросхему для реализации различных функций типа БИС, таких как логические вентили, сумматоры и регистры. Современные устройства, называемые программируемыми вентильными матрицами, теперь могут реализовывать десятки тысяч схем LSI параллельно и работать до 1.5 ГГц (Achronix держит рекорд скорости).

Методы, усовершенствованные индустрией интегральных схем за последние три десятилетия, использовались для создания очень маленьких механических устройств, приводимых в действие электричеством, с использованием технологии, известной как микроэлектромеханические системы. Эти устройства используются в различных коммерческих и военных приложениях. Примеры коммерческих приложений включают DLP-проекторы, струйные принтеры и акселерометры, используемые для установки автомобильных подушек безопасности.

Раньше радиоприемники нельзя было изготавливать с помощью тех же недорогих технологий, что и микропроцессоры.Но с 1998 года большое количество радиочипов было разработано с использованием процессов CMOS. Примеры включают беспроводной телефон Intel DECT или карту 802.11 Atheros.

Будущие разработки, похоже, будут следовать парадигме многоядерных многоядерных процессоров, уже используемой в двухъядерных процессорах Intel и AMD. Intel недавно представила прототип микросхемы, не предназначенной для коммерческой продажи, с 80 микропроцессорами. Каждое ядро ​​способно выполнять свою задачу независимо от других. Это ответ на ограничение тепловыделения относительно скорости, которое должно быть достигнуто с использованием существующей транзисторной технологии.Такая конструкция представляет собой новую проблему для программирования микросхем. Языки параллельного программирования, такие как язык программирования X10 с открытым исходным кодом, призваны помочь в решении этой задачи. [21]

Силиконовые этикетки и граффити

Для идентификации во время производства на большинстве кремниевых чипов в одном углу указан серийный номер. Также распространено добавление логотипа производителя. С момента создания ИС некоторые разработчики микросхем использовали поверхность кремния для скрытых, нефункциональных изображений или слов.Иногда их называют Chip Art, Silicon Art , Silicon Graffiti или Silicon Doodling .

Известные ИС и семейства ИС

См. Также

Общие темы
Сопутствующие устройства и термины
Технологии устройств ИС
Другое

Список литературы

Академический
  • 65-нанометровая технология Intel
  • Бейкер Р.Дж. (2010). CMOS: схемотехника, компоновка и моделирование, третье издание . Wiley-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3. http://CMOSedu.com/
  • Ходжес Д.А., Джексон Х.Г. и Салех Р. (2003). Анализ и проектирование цифровых интегральных схем . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-228365-3.
  • Rabaey, J.M., Chandrakasan, A., and Nikolic, B. (2003). Цифровые интегральные схемы, 2-е издание. ISBN 0-13-0-3
  • Mead, C. и Conway, L. (1980). Введение в системы СБИС . Бивер, К. «Чип-революция создает проблемы для программистов», New Scientist (Том 193, номер 2594)
  • Дополнительная литература

    Внешние ссылки

    Общие

    Автор С.П. Марш

    Патенты

    • US3,138,743 — Миниатюрная электронная схема — J. S. Kilby
    • US3,138,747 — Устройство интегральной полупроводниковой схемы — R. F. Stewart
    • US3,261,081 — Способ изготовления миниатюрных электронных схем — J.С. Килби
    • US3,434,015 — Конденсатор для миниатюрных электронных схем и т.п. — J. S. Kilby

    Кремниевое граффити

    Фотографии кристаллов интегральных схем

    Как работают интегральные схемы?

    Реклама

    Криса Вудфорда. Последнее изменение: 30 января 2020 г.

    Вы когда-нибудь слышали о компьютере 1940-х годов? называется ENIAC? Он был примерно такой же длины и веса, как три-четыре двухэтажных автобуса. содержал 18 000 гудящих электронных переключателей, известных как электронные лампы.Несмотря на свои гигантские размеры, это были тысячи в разы менее мощный, чем современный ноутбук — машина примерно в 100 раз меньше.

    Если история вычислительной техники звучит как волшебный трюк — выжать все больше и больше мощности во все меньшее и меньшее пространство — это так! Что сделало это возможно было изобретение интегрированного схема (IC) в 1958 году. Это отличный способ втиснуть сотни, тысячи, миллионы или даже миллиарды электронных компонентов на крошечные чипы кремния нет больше, чем ноготь.Давайте подробнее рассмотрим микросхемы и то, как они работают!

    Фото: Интегральная схема снаружи. Он поставляется в удобной форме, называемой двухрядным корпусом (DIP), который состоит из черного пластика или керамический внешний корпус с металлическими штырями по бокам для подключения к электронной плате большего размера (коричневая деталь, которую вы видите на заднем плане). Фактическая схема, которая выполняет эту работу, представляет собой крошечный чип, встроенный в DIP; вы можете увидеть, как он подключен к внешним контактам DIP на следующей фотографии.

    Что такое интегральная схема?

    Фото: Интегральная схема изнутри. Если бы вы могли снять крышку с типичного микрочипа, такого как тот, что на верхнем фото (а это не очень легко — поверьте, я пробовал!), Вы бы нашли внутри именно это. Интегральная схема — это крошечный квадрат в центре. От него выходят соединения к клеммам (металлические штыри или ножки) по краю. Когда вы подключаете что-либо к одной из этих клемм, вы фактически подключаетесь к самой цепи.Вы можете практически увидеть рисунок электронных компонентов на поверхности самого чипа. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

    Откройте телевизор или радио, и вы увидите, что оно построено вокруг Печатная плата (PCB) : немного похоже на электрическую карту улиц с маленький электронный компоненты (например, резисторы и конденсаторы) на месте здания и печатные медные соединения связывая их вместе как миниатюрные металлические улочки. Печатные платы хороши в небольших таких приборов, но если вы попытаетесь использовать ту же технику для построить сложную электронную машину, например компьютер, вы быстро врезался в препятствие.Даже самому простому компьютеру нужно восемь электронных переключает на хранение одного байта (символа) информации. Итак, если вы хотите построить компьютер с достаточным объемом памяти для хранения этого абзац, вы смотрите примерно 750 символов умноженные на 8 или около 6000 переключателей — за один абзац! Если вы любите переключатели, как в ENIAC — электронные лампы размером с взрослый палец — скоро вы получите колоссально большой, энергоемкая машина, которой нужно собственное мини-электричество завод, чтобы он работал.

    Когда в 1947 году три американских физика изобрели транзисторы, несколько улучшилось. Транзисторы были размером с электронные лампы и реле. (электромагнитные переключатели, которые начали заменять электронные лампы в середина 1940-х годов), потребляли гораздо меньше энергии и были гораздо более надежными. Но все еще оставалась проблема соединить все эти транзисторы вместе в сложных схемах. Даже после того, как были изобретены транзисторы, компьютеры все еще представляли собой спутанную массу проводов.

    Фото: Интегральные схемы вставляются в печатные платы (ПП), как зеленая, которую вы видите здесь.Обратите внимание на тонкие дорожки, соединяющие «ножки» (клеммы) двух разных ИС. Другие дорожки связывают ИС с обычными электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы. Вы можете думать о дорожках как о «улицах», прокладывающих пути между «зданиями», где делаются полезные вещи (сами компоненты). Существует также миниатюрная версия печатной платы внутри интегральной схемы: дорожки создаются в микроскопической форме на поверхности кремниевой пластины.

    Интегральные схемы все изменили.Основная идея заключалась в том, чтобы взять полная схема со всеми ее многочисленными компонентами и соединениями между их, и воссоздать все это в микроскопически крошечной форме на поверхности кусок кремния. Это была удивительно умная идея, и она реализована возможно всевозможные «микроэлектронные» гаджеты, которые мы сейчас принимаем за предоставлено, от цифровых часов и карманные калькуляторы на Луну ракеты и ракеты со встроенной спутниковой навигацией.

    Закон Мура

    Интегральные схемы произвели революцию в электронике и вычислительной технике в 1960-х и 1970-х годах.Первый, инженеры помещали десятки компонентов на чип в так называемой маломасштабной интеграции (SSI). Вскоре последовала Medium-Scale Integration (MSI) с сотнями компонентов в области такого же размера. Как и ожидалось, примерно в 1970 году крупномасштабная интеграция (БИС) принесла тысячи компонентов, очень крупномасштабная интеграция (СБИС). дали нам десятки тысяч и миллионы Ultra Large Scale (ULSI) — и все на микросхемах не больше, чем они был раньше. В 1965 году Гордон Мур из компании Intel, ведущего производителя микросхем, заметил, что количество компонентов на чипе удваивалась примерно каждые один-два года. Закон Мура , как он известен, продолжает действовать с тех пор. В интервью The New York Times 50 лет спустя, в 2015 году, Мур выразил свое удивление по поводу того, что закон продолжает оставаться в силе: «Первоначальное предсказание заключалось в том, чтобы смотреть на 10 лет, что, по моему мнению, было большой натяжкой. Это исходило примерно из 60 элементов. на интегральной схеме до 60 000 — тысячекратная экстраполяция за 10 лет. Я думал, что это было довольно дико. Тот факт, что нечто подобное происходит в течение 50 лет, поистине удивителен.«

    Диаграмма

    : Закон Мура: количество транзисторов, упакованных в микрочипы, примерно удваивается каждый год или два за последние пять десятилетий — другими словами, оно растет в геометрической прогрессии. Если вы построите график количества транзисторов (ось y) в зависимости от года выпуска (ось x) для некоторых распространенных микрочипов за последние несколько десятилетий (желтые звезды), вы получите экспоненциальную кривую; вместо этого построив логарифм, вы получите прямую линию. Обратите внимание, что вертикальная ось (y) на этой диаграмме логарифмическая. и (из-за программного обеспечения для построения графиков OpenOffice, которое я использовал) горизонтальная ось (x) является лишь неопределенно линейной.Источник: построено с использованием данных Transistor Count, Wikipedia, сверено с данными из других источников.

    Как изготавливаются интегральные схемы?

    Фото: Интегральные схемы производятся в безупречно чистых условиях; Рабочие должны носить вот такие «костюмы кроликов», чтобы они не загрязняли чип, который они производят. Это завод Intel по производству пластин в Чандлере, Аризона, США. Фото любезно предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

    Как сделать что-то вроде микросхемы памяти или процессора для компьютера? Все начинается с необработанного химического элемента, такого как кремний, который подвергается химической обработке или легированию для придания ему различных электрических свойств …

    Легирование полупроводников

    Если вы читали наши статьи о диодах и транзисторы, ты будешь знаком с идеей полупроводников . Традиционно люди думали, что материалы можно разделить на две аккуратные категории: которые позволяют электричеству течь через их довольно легко (проводники) и те, что нет (изоляторы).Металлы составляют большую часть проводников, а неметаллы, такие как пластик, дерево и стекло изоляторы. На самом деле все гораздо сложнее, особенно когда речь идет об определенных элементы в середине периодической таблицы (в группах 14 и 15), особенно кремний и германий. Обычно изоляторы, эти элементы могут быть заставить вести себя больше как проводники, если мы добавим небольшое количество примеси к ним в процессе, известном как легирование . Если вы добавите сурьму в кремний, вы получите немного больше электронов, чем он. обычно имеет — и способность проводить электричество.Кремний «легированный» таким образом называется n-типа . Добавляем бор вместо сурьмы и вы удаляете часть электронов кремния, оставляя «дырки» которые работают как «отрицательные электроны», несущие положительный электрический ток в обратном порядке. Такой кремний называется p-тип . Расположение областей кремния n-типа и p-типа рядом создает переходы, в которых электроны ведут себя очень интересным образом — и это как мы создаем электронные компоненты на основе полупроводников, такие как диоды, транзисторы и воспоминания.

    Внутри завода по производству микросхем

    Фото: кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

    Процесс создания интегральной схемы начинается с большого монокристалл кремния, имеющий форму длинной сплошной трубки, которая «нарезана салями» на тонкие диски (про габариты компакт-диска) вафли называются . Пластины разделены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочип).Тогда тысячи, миллионы или миллиарды компонентов создается на каждом чипе путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в Кремний n-типа или p-типа. Допинг осуществляется множеством разных процессы. В одном из них, известном как напыление , ионы легирующего материала стреляют по кремниевой пластине, как пули из пистолет. Другой процесс называется осаждение из паровой фазы включает введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создают тонкую пленку на поверхности кремния вафля.Молекулярно-лучевая эпитаксия это гораздо более точная форма осаждения.

    Конечно, создание интегральных схем, содержащих сотни, миллионы, или миллиарды компонентов на кремниевом чипе размером с ноготь — это все немного сложнее и запутаннее, чем кажется. Представьте себе хаос даже пятнышко грязи может вызвать, когда вы работаете на микроскопический (а иногда даже наноскопический) масштаб. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях, называемых чистые помещения , где воздух тщательно продувается фильтрованный и рабочие должны входить и выходить через шлюзы в любых защитная одежда.

    Как сделать микрочип — краткое описание

    Хотя создание микросхемы очень сложно и сложно, на самом деле существует всего шесть отдельных шагов (некоторые из них повторяется более одного раза). Процесс значительно упрощен, вот как это работает:

    1. Изготовление пластин: мы выращиваем кристаллы чистого кремния в длинные цилиндры и разрезаем их (как салями) на тонкие пластины, каждая из которых в конечном итоге будет разрезана на множество чипов.
    2. Маскирование: мы нагреваем пластины, чтобы покрыть их диоксидом кремния, и используем ультрафиолетовый свет (синий), чтобы добавить твердый защитный слой, называемый фоторезистом.
    3. Травление: мы используем химические вещества для удаления части фоторезиста, создавая своего рода шаблонный узор, показывающий, где нам нужны области кремния n-типа и p-типа.
    4. Легирование: Мы нагреваем протравленные пластины газами, содержащими примеси, чтобы образовать области кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.
    5. Тестирование: длинные металлические соединительные провода проходят от испытательной машины с компьютерным управлением до клемм на каждой микросхеме. Любые чипы, которые не работают, помечаются и отклоняются.
    6. Упаковка: Все нормально работающие микросхемы вырезаны из пластины и упакованы в защитные куски пластика, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

    Кто изобрел интегральную схему?

    Вы, наверное, читали в книгах, что ИС были разработаны совместно Джек Килби (1923–2005) и Роберт Нойс (1927–1990), как если бы эти двое мужчин с радостью сотрудничали в их гениальном изобретении! Фактически, Килби и Нойс пришла в голову независимо, примерно так же время, вызвав яростную битву за права на изобретение, которое был совсем не счастлив.

    Как два человека могли изобрести одно и то же в одно и то же время? Легко: Идея интегральных схем ждала воплощения. К середине 1950-х гг. мир (и военные в частности) открыли удивительный потенциал электронных компьютеров, и это ослепляюще для таких провидцев, как Килби и Нойс, было очевидно, что лучший способ сборки и подключения транзисторов в больших количества. Килби работал в Texas Instruments, когда наткнулся на идею он назвал принцип монолитности : пытаясь построить все различные части электронной схемы на кремниевом чипе.12 сентября 1958 года он вручную собрал первую в мире грубую интегральную схему. используя чип из германия (полупроводниковый элемент, подобный кремний) и Texas Instruments подали заявку на патент на идея в следующем году.

    Между тем, в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (образованной небольшая группа сотрудников, которые первоначально работали над транзистором пионер Уильям Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрой схемы его собственные.В 1959 году он использовал серию фотографических и химические методы, известные как планарный процесс (который только что был разработан коллегой Жаном Орни) создать первую практическую интегральную схему, метод, который Fairchild затем попытался патент.

    Работа: Snap! Два великих инженера-электрика, Джек Килби и Роберт Нойс, пришли к той же идее почти в одно и то же время в 1959 году. Хотя Килби первым подал патент, патент Нойса был выдан раньше.Вот рисунки из их оригинальных патентных заявок. Вы можете видеть, что у нас, по сути, одна и та же идея с электронными компонентами, сформированными из переходов между слоями полупроводников p-типа (синий) и n-типа (красный). Подключения к областям p-типа и n-типа показаны оранжевым и желтым, а базовые слои (подложки) показаны зеленым. Картины любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США с нашей собственной добавленной окраской, чтобы улучшить ясность и подчеркнуть сходство. Вы можете найти ссылки на сами патенты в приведенных ниже ссылках.

    Между работой двух мужчин и Техасом было много общего. Инструменты и Fairchild боролись в судах большую часть 1960-х годов за то, кто действительно разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 г. компании согласились поделиться идеей.

    Килби и Нойс в настоящее время по праву считаются соавторами возможно, самая важная и далеко идущая технология, разработанная в 20-м веке. век. Оба мужчины были введены в Национальный зал изобретателей Слава (Килби в 1982 году, Нойс в следующем году) и Килби прорыв был также отмечен присуждением половины доли в Нобелевская премия в Физика в 2000 году (как очень великодушно отметил Килби в своей благодарственной речи, Нойс наверняка разделил бы приз, если бы он не умер от сердечного приступа десятью годами ранее).

    Хотя Килби помнят как блестящего ученого, наследие Нойса имеет добавленное измерение. В 1968 году он стал соучредителем компании Intel Electronics. с Gordon Moore (1929–), который продолжил разработку микропроцессора (однокристальный компьютер) в 1974 году. С IBM, Microsoft, Apple и др. компаниям-новаторам, Intel приписывают помощь в создании доступные персональные компьютеры для дома и на работе. Спасибо Нойсу и Килби и блестящих инженеров, которые впоследствии основывались на своей работе, сейчас используется около двух миллиардов компьютеров. во всем мире многие из них встроены в мобильные телефоны, портативные устройства спутниковой навигации и другие электронные устройства.

    Узнать больше

    На этом сайте

    На других сайтах

    • Хотите узнать больше о пионерах? Посмотрите на эти страницы о Джек Килби, первоначально опубликованный на сайте Texas Instruments или посетите музей Intel, чтобы узнать о Роберте Нойсе, Гордоне Муре и их коллегах. Оба сайта имеют превосходную коллекцию фотографии ранних интегральных схем.

    Статьи

    • Хорошее, плохое и странное: 3 направления закона Мура Сэмюэля К.Мур. IEEE Spectrum, 26 октября 2018 г. Взгляд на недавний технический прогресс в получении новой жизни из старого закона.
    • Intel находит следующий шаг закона Мура при 10 нанометрах, автор Рэйчел Кортленд. IEEE Spectrum, 30 декабря 2016 г. Как новый завод по производству микросхем поможет Intel вдохнуть новую жизнь в закон Мура.
    • Закон Мура Заканчивается место, техника ищет преемника Джона Маркова. The New York Times, 4 мая 2016 г. Почему это имеет значение, если производители микросхем больше не могут следовать закону Мура?
    • Закон Мура менее важен для технической индустрии? пользователя Quentin Hardy.Нью-Йорк Таймс. 25 июля 2014 года. Изменение рабочих привычек и появление облачных вычислений меняют ожидания людей от своих компьютеров, а это означает, что закон Мура уже не так важен, как был.
    • Замедляет ли конец закона Мура мировую гонку суперкомпьютеров? пользователя Роберт Макмиллан. Wired, 23 июня 2014 г. Суперкомпьютеры не работают быстрее, чем раньше. Может быть, закон Мура, наконец, подходит к концу?
    • «25 микрочипов, потрясших мир» Брайана Санто.IEEE Spectrum, 1 мая 2009 г. Если вы думаете, что микросхема — это просто микросхема, подумайте еще раз. В этой статье перечислены две дюжины классических микросхем, от схем таймера до флэш-памяти и синтезаторов речи до микропроцессоров, которые радикально изменили историю вычислений.

    Книги

    История
    Технологии

    Видео

    • От песка к кремнию: Intel показывает вам процесс создания микрочипа, начиная с пустыни (с песка, который дает нам кремний) и заканчивая готовым чипом.Довольно интересное видео, но некоторые комментарии или объяснения не пропали бы даром: это видео действительно имеет смысл только в том случае, если вы уже знаете обо всех процессах, которые вам показывают.

    Патенты

    Один из лучших способов узнать об изобретениях — это прочитать, как сами изобретатели видели и представляли свои собственные идеи; патенты предлагают отличный способ сделать это. Для тех, кто хочет получить более подробную информацию, вот пара ключевых патентов Килби и Нойса, на которые стоит обратить внимание:

    • Патент США 3,115,581: Миниатюрная полупроводниковая интегральная схема от Джека С.Kilby, Texas Instruments, подана 6 мая 1959 г. и опубликована 24 декабря 1963 г. Описывает основную идею создания интегральных схем «с использованием только одного материала для всех элементов схемы и ограниченного числа совместимых этапов процесса для их производства».
    • Патент США 2 981877: Полупроводниковое устройство и структура выводов Роберта Н. Нойса, Fairchild Semiconductor, поданный 30 июля 1959 г. и выданный 25 апреля 1961 г. Хотя Нойс подал заявку на это изобретение через два месяца после Килби, патент Нойса был предоставлен более чем через два годами ранее, что способствовало ожесточенной битве между Texas Instruments и Fairchild за то, кто именно изобрел интегральную схему.

    Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

    статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

    Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

    Следуйте за нами

    Сохранить или поделиться этой страницей

    Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

    Цитировать эту страницу

    Вудфорд, Крис.(2009/2020) Интегральные схемы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/integratedcircuits.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

    Больше на нашем сайте …

    Интегральные схемы

    — learn.sparkfun.com

    Введение

    Интегральные схемы (ИС) — краеугольный камень современной электроники. Они сердце и мозг большинства схем. Это вездесущие маленькие черные «микросхемы», которые можно найти практически на каждой печатной плате.Если вы не какой-то сумасшедший мастер аналоговой электроники, у вас, вероятно, будет хотя бы одна микросхема в каждом электронном проекте, который вы создаете, поэтому важно понимать их как внутри, так и снаружи.

    Интегральные схемы — это маленькие черные «микросхемы», которые можно найти во встроенной электронике.

    ИС — это набор электронных компонентов — резисторов, транзисторов, конденсаторов и т. Д. — все они помещены в крошечный чип и соединены вместе для достижения общей цели.Они бывают самых разных видов: одноконтурные логические вентили, операционные усилители, таймеры 555, регуляторы напряжения, контроллеры двигателей, микроконтроллеры, микропроцессоры, FPGA … список можно продолжать и продолжать.

    Рассмотрено в этом учебном пособии

    • Состав IC
    • Общие пакеты ИС
    • Идентификация ИС
    • Часто используемые ИС

    Рекомендуемая литература

    Интегральные схемы — одна из наиболее фундаментальных концепций электроники.Тем не менее, они основаны на некоторых предыдущих знаниях, поэтому, если вы не знакомы с этими темами, сначала подумайте о прочтении их руководств …

    Внутри IC

    Когда мы думаем об интегральных схемах, на ум приходят маленькие черные микросхемы. Но что внутри этого черного ящика?

    Внутренности интегральной схемы, видимые после снятия верхней части.

    Настоящее «мясо» ИС — это сложное наслоение полупроводниковых пластин, меди и других материалов, которые соединяются между собой, образуя транзисторы, резисторы или другие компоненты в цепи.Вырезанная и сформированная комбинация этих пластин называется матрицей .

    Обзор кристалла ИС.

    Хотя сама ИС крошечная, пластины из полупроводника и слои меди, из которых она состоит, невероятно тонкие. Связи между слоями очень сложные. Вот увеличенная часть кубика выше:

    Кристалл ИС — это схема в ее наименьшей возможной форме, слишком мала для пайки или подключения. Чтобы упростить нам работу по подключению к ИС, мы упаковываем кристалл.Пакет IC превращает тонкий крошечный кристалл в черный чип, с которым мы все знакомы.

    Пакеты ИС

    Пакет — это то, что инкапсулирует кристалл интегральной схемы и превращает его в устройство, к которому мы можем более легко подключиться. Каждое внешнее соединение на кристалле подключается крошечным кусочком золотого провода к контакту или контакту на корпусе. Контакты — это серебристые выдавленные клеммы на ИС, которые используются для подключения к другим частям цепи.Это крайне важно для нас, потому что именно они будут подключаться к остальным компонентам и проводам в цепи.

    Существует множество различных типов корпусов, каждый из которых имеет уникальные размеры, типы монтажа и / или количество выводов.

    Маркировка полярности и нумерация контактов

    Все микросхемы поляризованы, и каждый вывод уникален как по расположению, так и по функциям. Это означает, что на упаковке должен быть какой-то способ передать, какой штифт какой. Большинство микросхем будет использовать либо метку , либо точку , чтобы указать, какой контакт является первым контактом.(Иногда и то, и другое, иногда одно или другое.)

    Как только вы узнаете, где находится первый вывод, номера оставшихся выводов последовательно увеличиваются по мере того, как вы перемещаетесь против часовой стрелки по микросхеме.

    Тип монтажа

    Одной из основных отличительных характеристик типа корпуса является способ его крепления на печатной плате. Все корпуса делятся на два типа монтажа: монтаж в сквозное отверстие (PTH) или поверхностный монтаж (SMD или SMT). Пакеты со сквозным отверстием обычно больше, и с ними намного проще работать.Они предназначены для вставки через одну сторону платы и припаивания к другой стороне.

    Пакеты для поверхностного монтажа различаются по размеру от маленьких до миниатюрных. Все они предназначены для размещения на одной стороне печатной платы и припаяны к поверхности. Штыри SMD-корпуса либо выступают со стороны, перпендикулярно чипу, либо иногда расположены в виде матрицы на дне чипа. ИС в этом форм-факторе не очень удобны для ручной сборки. Обычно для этого требуются специальные инструменты.

    DIP (двухрядные корпуса)

    DIP, сокращенно от двухрядного корпуса, является наиболее распространенным корпусом ИС со сквозным отверстием, с которым вы столкнетесь. Эти маленькие микросхемы имеют два параллельных ряда штырей, перпендикулярно выступающих из прямоугольного черного пластикового корпуса.

    28-контактный ATmega328 — один из самых популярных микроконтроллеров в корпусе DIP (спасибо, Arduino!).

    Расстояние между контактами DIP IC составляет 0,1 дюйма (2,54 мм), что является стандартным расстоянием и идеально подходит для установки в макетные платы и другие макетные платы.Габаритные размеры DIP-корпуса зависят от количества выводов, которое может быть от четырех до 64.

    Область между каждым рядом контактов идеально разнесена, чтобы позволить микросхемам DIP охватить центральную область макета. Это обеспечивает каждому контакту отдельный ряд на плате и гарантирует, что они не замыкаются друг на друга.

    Помимо использования в макетных платах, микросхемы DIP также могут быть впаяны в платы . Они вставлены в одну сторону платы и припаяны к другой стороне.Иногда, вместо того, чтобы паять микросхему непосредственно на микросхему, рекомендуется вставить в гнездо микросхемы. Использование сокетов позволяет снимать и заменять DIP IC, если он «выпустит синий дым».

    Обычное гнездо DIP (вверху) и гнездо ZIF с ИС и без нее.

    Пакеты для поверхностного монтажа (SMD / SMT)

    В наши дни существует огромное разнообразие типов корпусов для поверхностного монтажа. Чтобы работать с ИС в корпусе для поверхностного монтажа, вам обычно нужна специальная печатная плата (PCB), изготовленная для них, которая имеет соответствующий узор из меди, на которой они припаяны.

    Вот несколько наиболее распространенных типов корпусов SMD, которые варьируются по способности пайки вручную от «выполнимо» до «выполнимо, но только с помощью специальных инструментов» до «выполнимо только с помощью очень специальных, обычно автоматизированных инструментов».

    Small-Outline (СОП)

    Малогабаритные ИС (SOIC) — это двоюродный брат DIP для поверхностного монтажа. Это то, что вы получите, если согнете все штыри DIP наружу и уменьшите его до нужного размера. С твердой рукой и внимательным взглядом эти корпуса являются одними из самых простых для ручной пайки SMD-деталей.В корпусах SOIC каждый штифт обычно расположен на расстоянии около 0,05 дюйма (1,27 мм) от следующего.

    SSOP (shrink small-outline package) — это еще меньшая версия пакетов SOIC. Другие похожие пакеты IC включают TSOP (тонкий корпус с мелкими контурами) и TSSOP (корпус с тонкой усадкой и мелкими контурами).

    16-канальный мультиплексор (CD74HC4067) в 24-выводном SSOP корпусе. Устанавливается на доске посередине (четверть добавлена ​​для сравнения размеров).

    Многие из более простых, ориентированных на одну задачу ИС, таких как MAX232 или мультиплексоры, представлены в формах SOIC или SSOP.

    Четырехъядерные плоские блоки

    Раздвигание выводов микросхемы во всех четырех направлениях дает вам нечто, что может выглядеть как четырехугольный плоский корпус (QFP). ИС QFP могут иметь от восьми контактов на каждую сторону (всего 32) до более семидесяти (всего 300+). Контакты на микросхеме QFP обычно расположены на расстоянии от 0,4 мм до 1 мм. Меньшие варианты стандартного пакета QFP включают тонкий (TQFP), очень тонкий (VQFP) и низкопрофильный (LQFP) пакеты.

    ATmega32U4 в 44-выводном (по 11 с каждой стороны) корпусе TQFP.

    Если вы отшлифуете ножки микросхемы QFP, вы получите что-то, что может выглядеть как корпус с четырьмя плоскими выводами (QFN) . Соединения на корпусах QFN представляют собой крошечные открытые площадки на нижних угловых краях ИС. Иногда они оборачиваются и открываются как сбоку, так и снизу, в других упаковках открываются только площадки на нижней части чипа.

    Многофункциональный датчик IMU MPU-6050 поставляется в относительно крошечном корпусе QFN с 24 контактами, скрытыми на нижнем крае ИС.

    Тонкие (TQFN), очень тонкие (VQFN) и микропроводные (MLF) корпуса представляют собой меньшие варианты стандартного корпуса QFN. Существуют даже корпуса с двумя без выводами (DFN) и с тонкими двойными выводами (TDFN), которые имеют контакты только на двух сторонах.

    Многие микропроцессоры, датчики и другие современные ИС поставляются в корпусах QFP или QFN. Популярный микроконтроллер ATmega328 предлагается как в корпусе TQFP, так и в форме QFN-типа (MLF), в то время как крошечный акселерометр / гироскоп, такой как MPU-6050, поставляется в миниатюрной форме QFN.

    Массивы с шариковой сеткой

    Наконец, для действительно продвинутых ИС есть корпуса с шариковой решеткой (BGA). Это удивительно замысловатые маленькие корпусы, в которых маленькие шарики припоя расположены в виде двумерной сетки в нижней части ИС. Иногда шарики припоя прикрепляются непосредственно к матрице!

    Пакеты

    BGA обычно предназначены для продвинутых микропроцессоров, таких как pcDuino или Raspberry Pi.

    Если вы умеете паять ИМС в корпусе BGA вручную, считайте себя мастером пайки.Обычно для того, чтобы поместить эти пакеты на печатную плату, требуется автоматическая процедура, включающая машины для захвата и размещения и печи оплавления.

    Общие ИС

    Интегральные схемы широко распространены в электронике, что трудно охватить все. Вот несколько наиболее распространенных микросхем, которые могут встретиться в образовательной электронике.

    Логические вентили, таймеры, регистры сдвига и т. Д.

    Логические вентили, составляющие гораздо больше самих микросхем, могут быть объединены в их собственные интегральные схемы.Некоторые ИС логических вентилей могут содержать несколько вентилей в одном корпусе, например этот вентиль И с четырьмя входами:

    Логические элементы

    могут быть подключены внутри ИС для создания таймеров, счетчиков, защелок, регистров сдвига и других базовых логических схем. Большинство этих простых схем можно найти в пакетах DIP, а также в SOIC и SSOP.

    Микроконтроллеры, микропроцессоры, FPGA и т. Д.

    Микроконтроллеры, микропроцессоры и ПЛИС, содержащие тысячи, миллионы и даже миллиарды транзисторов в крошечной микросхеме, представляют собой интегральные схемы.Эти компоненты существуют в широком диапазоне функций, сложности и размеров; от 8-битного микроконтроллера, такого как ATmega328 в Arduino, до сложного 64-битного многоядерного микропроцессора, организующего деятельность на вашем компьютере.

    Эти компоненты обычно являются самой большой ИС в цепи. Простые микроконтроллеры можно найти в корпусах от DIP до QFN / QFP, с количеством выводов от восьми до сотни. По мере того, как эти компоненты усложняются, пакет становится одинаково сложным.ПЛИС и сложные микропроцессоры могут иметь до тысячи контактов и доступны только в расширенных пакетах, таких как QFN, LGA или BGA.

    Датчики

    Современные цифровые датчики, такие как датчики температуры, акселерометры и гироскопы, упакованы в интегральную схему.

    Эти ИС обычно меньше, чем микроконтроллеры или другие ИС на печатной плате, с числом контактов от трех до двадцати. Микросхемы датчиков DIP становятся редкостью, поскольку современные компоненты обычно встречаются в корпусах QFP, QFN и даже BGA.

    Интегральная схема — схемы, транзисторы, электроника и выход

    Интегральная схема (ИС) — это отдельная полупроводниковая микросхема, которая содержит транзисторы, а иногда и конденсаторы, резисторы и диоды. Эти компоненты соединены в электрическую цепь. Интегральные схемы сегодня можно найти практически во всех электронных устройствах, в том числе в автомобилях, микроволновых печах, светофорах и часах.

    Всего несколько лет назад схемы, необходимые для работы портативного калькулятора , занимали бы целую комнату.Но сегодня миллионы микроскопических деталей могут поместиться на небольшой кусок силикона, который поместится в ладони вашей руки.

    С изобретением в 1948 году транзистора отпала необходимость в громоздких вакуумных трубках в компьютерах и других электронных устройствах. Поскольку другие компоненты также были уменьшены в размерах, инженеры смогли разрабатывать более компактные и все более сложные электронные схемы. Однако транзисторы и другие части схемы были сделаны отдельно, а затем должны были быть соединены вместе — трудная задача, которая стала еще более сложной, поскольку компоненты схемы стали меньше и больше.Сбои в цепи часто возникали при обрыве проводных соединений. Идея изготовления электронной схемы с несколькими транзисторами в виде единого цельного блока возникла как способ решения этой проблемы.

    Идея интегральной схемы была впервые предложена британским инженером радара и Дж. У. А. Даммером в 1952 году. Он представил имплантацию электронных компонентов в сплошной многослойный блок из полупроводникового материала с соединениями, выполненными путем вырезания участков слоев вместо проводов.В Соединенных Штатах, где министерство обороны распределяло миллионы долларов, пытаясь миниатюризировать электронные компоненты, идея Даммера была реализована в конце 1950-х годов двумя изобретателями.

    В Далласе, штат Техас, Джек Килби из Texas Instruments начал бороться с проблемой схемы в 1958 году и пришел к идее, сходной с идеей Даммера. К сентябрю 1958 года Килби удалось создать первую работающую интегральную схему — крошечные транзисторы, резисторы и конденсаторы, соединенные золотыми проводами на одном кристалле.В патентной заявке Килби 1959 г. добавлена ​​важная особенность: соединения выполнялись непосредственно на изолирующем слое полупроводникового кристалла, что устраняет необходимость в проводах.

    Тем временем Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor в Маунтин-Вью, Калифорния, также искал решение проблемы миниатюризации. Работая независимо от Килби, Нойс тоже рассматривал возможность размещения электронной схемы и ее соединений на одном куске кремния. Интегральная схема Нойса использовала планарную технику наложения чередующихся слоев полупроводника и изоляционного материала с фототравлением для создания схемы.Нойс подал заявку на патент на эту технологию в 1959 году.

    Несмотря на последовавший патентный спор, Нойс и Килби были признаны соавторами интегральной схемы, которая полностью произвела революцию в индустрии электроники . Отдельный транзистор, как и предыдущая электронная лампа , устарел. Интегральная схема была намного меньше, надежнее, дешевле и мощнее. Это сделало возможной разработку микропроцессора и, следовательно, персонального компьютера, а также множества устройств, таких как карманный калькулятор, микроволновые печи и управляемый компьютером самолет .

    Ранние интегральные схемы содержали всего несколько транзисторов. В эпоху маломасштабной интеграции (SSI) ИС обычно содержали десятки транзисторов. С появлением Medium Scale Integration (MSI) схемы содержали сотни транзисторов. Благодаря крупномасштабной интеграции (LSI) количество транзисторов увеличилось до тысяч. К 1970 году схемы LSI находились в массовом производстве , использовались для компьютерной памяти и портативных калькуляторов. С появлением очень крупномасштабной интеграции (СБИС) в ИС можно было разместить сотни тысяч или более транзисторов.В 1986 году была представлена ​​первая оперативная память объемом 1 мегабайт (RAM), содержащая более одного миллиона транзисторов.

    Круглая кремниевая пластина, несущая множество отдельных интегральных схем. На одной кремниевой основе изготавливают несколько схем, а затем вырезают из нее. Фотография Адама Харт-Дэвиса. Коллекция Национального общества одюбонов / Photo Reserchers, Inc. Воспроизведено с разрешения.

    Для создания интегральной схемы небольшой прямоугольник сначала вырезается из кремниевой (или для специальных применений, сапфировой) пластины.Эта пластина известна как подложка. Отдельные области подложки осаждаются (легируются) другими элементами, чтобы сделать их генераторами либо положительных («p-тип»), либо отрицательных, («n-тип») носителей. Следы поликристаллического кремния или алюминия вытравливаются в слои над поверхностью подложки. Затем пластина разрезается на части, называемые матрицами, и каждая матрица затем соединяется с портами ввода и вывода, обычно расположенными на краю кристалла с помощью золотых проводов, чтобы сформировать «кристалл».«

    Существует три класса интегральных схем: цифровые, аналоговые и гибридные (как цифровые, так и аналоговые на одном кристалле). Цифровые интегральные схемы, для которых характерно наличие логических вентилей, обрабатывают информацию дискретно (т. Е. В виде логических единиц и нулей). Их небольшой размер позволяет цифровым ИС работать с высокой скоростью и с низким уровнем рассеяния мощности. Цифровые ИС имеют явное маркетинговое преимущество: они относительно недороги в производстве. В отличие от цифровых ИС, аналоговые интегральные схемы обрабатывают информацию непрерывно, как это требуется в термостате или диммерном переключателе света .

    Логические вентили используются в устройствах, электронные выходные сигналы которых зависят только от их входа. Входные и выходные значения для логических вентилей равны 0 (Ложь) или 1 (Истина). Логические вентили используются для реализации различных логических функций, включая И (например, выход равен 1, когда каждый входной сигнал равен 1), ИЛИ (например, выход равен 1, когда один или несколько входных сигналов равны 1), И-НЕ (например, выход равен 1, когда любой вход равен 0, и 0, когда все входы равны 1), и ИЛИ-ИЛИ (например, выход равен 1, когда все входные сигналы равны 0, и 0, когда хотя бы один входной сигнал равен 1).Другими примерами логических вентилей являются инверторы, триггеры и мультиплексоры.

    различных типов интегральных схем (ИС), их применения и ограничения

    Различные типы интегральных схем (ИС), их применения и ограничения

    Введение в ИС (интегральные схемы)

    Интегральная схема (ИС) — это, можно сказать, самое значительное технологическое развитие 21 века. Он навсегда изменил мир электроники.Он уменьшил размер электроники с размера холодильника до электроники размером с ладонь или даже меньше.

    В отличие от вакуумных ламп, используемых в ранней электронике, ИС рассеивают меньше тепла и, следовательно, потребляют меньше энергии по сравнению с электронными лампами. Его надежность несравнима с надежностью электронных ламп, это очень надежно. ИС изменили судьбу электроники.

    Снизила цены на электронику; он также изменил конструкцию электроники с использования дискретных (отдельных) электронных компонентов на гибридные твердотельные устройства, которые объединяют дискретные компоненты с ИС.Микросхемы настолько малы, что невозможно увидеть связи между ними, если не использовать микроскоп. Таким образом, микросхемы широко используются в нашей электронике и почти во всех устройствах управления.

    ИС состоит из соединенных между собой транзисторов, конденсаторов, резисторов, диодов и т. Д. Эти компоненты соединены между собой с помощью внешних соединительных клемм, содержащихся в небольшом корпусе.

    Классификация ИС (интегральных схем)

    Ниже приводится классификация различных типов ИС в зависимости от размера их микросхем.

    • SSI : небольшая интеграция. 3-30 гейтов на фишку.
    • MSI : Средняя степень интеграции. 30 — 300 ворот на чип.
    • LSI : крупномасштабная интеграция. 300 — 3000 гейтов на чип.
    • VLSI : очень крупномасштабная интеграция. Более 3000 ворот на чип.

    Типы ИС (интегральных схем)

    В зависимости от метода или технологий, используемых при их производстве, типов ИС можно разделить на три класса:

    1. Тонкие и толстопленочные ИС
    2. Монолитные ИС
    3. Гибридные или многокристальные ИС

    Ниже приводится простое объяснение различных типов ИС, упомянутых выше.

    Тонкие и толстые ИС:

    В тонких или толстопленочных ИС пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, интегрированы, но диоды и транзисторы соединены как отдельные компоненты, образуя единую и законченную схему. Тонкие и толстые ИС, которые производятся серийно, представляют собой просто комбинацию интегрированных и дискретных (отдельных) компонентов.

    Толстые и тонкие ИС имеют схожие характеристики, похожий внешний вид, за исключением метода нанесения пленки.Метод нанесения пленок отличал тонкие ИС от толстых.

    Тонкопленочные ИС изготавливаются путем нанесения пленок из проводящего материала на поверхность стекла или керамическую основу. Изменяя толщину пленок, нанесенных на материалы с различным удельным сопротивлением, можно изготавливать пассивные электронные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы.

    В толстопленочных ИС технология шелкографии используется для создания желаемого рисунка схемы на керамической подложке.Толстопленочные ИС иногда называют печатными тонкопленочными.

    Экраны фактически сделаны из тонкой проволочной сетки из нержавеющей стали, а звенья (соединения) представляют собой пасты, обладающие проводящими, резистивными или диэлектрическими свойствами. Схемы обжигаются в печи при высокой температуре, чтобы после печати сплавить пленки с подложкой.

    Монолитные ИС

    В монолитных ИС дискретные компоненты, активный и пассивный, а также межсоединения между ними сформированы на кремниевом кристалле.Слово «монолитный» на самом деле происходит от двух греческих слов «моно», означающих один или один, и Lithos, что означает камень. Таким образом, монолитная схема представляет собой схему, встроенную в монокристалл.

    Монолитные ИС — наиболее распространенные типы ИС, которые используются сегодня. Стоимость его изготовления дешевая и надежная. Промышленно производимые ИС используются в качестве усилителей, регуляторов напряжения, в AM-приемниках и в компьютерных схемах. Однако, несмотря на все эти преимущества и обширные области применения монолитных ИС, у него есть ограничения.Изоляция между компонентами монолитных ИС плохая. Он также имеет низкую мощность, изготовление изоляторов невозможно и многие другие факторы.

    DIP (двухрядный корпус) IC

    С точки зрения электроники или микроэлектроники, двухрядный корпус (DIP или DIL) или двухрядный корпус выводов (DIPP) представляет собой корпус электронных компонентов с прямоугольный корпус и два параллельных ряда электрических соединительных штырей.

    Гибридные или многочиповые ИС

    Как следует из названия, «Мульти», несколько отдельных микросхем связаны между собой.Активные компоненты, которые содержатся в таких ИС, представляют собой диффузионные транзисторы или диоды. Пассивные компоненты — это рассеянные резисторы или конденсаторы на одном кристалле.

    Эти компоненты соединены металлизированными узорами. Гибридные ИС широко используются в приложениях для усиления мощности от 5 Вт до более 50 Вт. Его производительность лучше, чем у монолитных ИС.

    Цифровые интегральные схемы

    Эти типы ИС работают с базовой цифровой системой i.е. два заданных уровня: 0 и 1 (другими словами, низкий и высокий или ВКЛ и ВЫКЛ соответственно). Микропроцессор и микроконтроллер — это пример цифровых ИС, которые содержат миллионы триггеров и логических вентилей.

    Аналоговые интегральные схемы

    Аналоговые ИС работают путем обработки непрерывных сигналов, то есть аналоговых сигналов. OP-AMP (операционный усилитель), таймеры и датчики NE 555 являются примерами аналоговых ИС. Эти типы ИС используются для усиления, фильтрации, модуляции, демодуляции и т. Д.

    ИС со смешанными сигналами
    Интегральная схема со смешанными сигналами

    — это разновидность ИС, в которых цифровые и аналоговые ИС объединены в одном кристалле.

    Преимущества и применение ИС

    ИС имеют преимущества перед теми, которые сделаны путем соединения дискретных компонентов, некоторые из которых имеют небольшой размер. Это в тысячу раз меньше, чем у дискретных схем. Это все в одном (компоненты и соединения находятся на одном кремниевом кристалле). У него небольшой вес.

    Стоимость его изготовления также невысока. Это надежно, потому что нет паяных соединений. Микросхемы потребляют мало энергии и при необходимости могут быть легко заменены. Его можно эксплуатировать при очень высокой температуре. различные типы ИС широко применяются в наших электрических устройствах, таких как усилители мощности, регуляторы напряжения, ТВ-приемники, компьютеры и т. д.

    Ограничение для разных типов ИС

    Несмотря на преимущества, которые ИС предоставляют нам, они имеют ограничения некоторые из них:

    • Ограниченная мощность
    • Он работает при низком напряжении
    • Высокий уровень PNP невозможен
    • Он создает шум во время работы
    • Его компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, зависят от напряжения
    • Это деликатный я.д. не выдерживает грубого обращения и т.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *