أول دائرة متكاملة. تاريخ اختراع الدائرة المتكاملة. خفض تكلفة المعدات

مقدمة

منذ ظهور أجهزة الكمبيوتر الأولى ، حلم مطورو البرامج بأجهزة مصممة لحل مشكلتهم الخاصة. لذلك ، ظهرت فكرة إنشاء دوائر متكاملة خاصة يمكن شحذها من أجل التنفيذ الفعال لمهمة معينة منذ زمن بعيد. يوجد مساران للتطوير هنا:

• استخدام ما يسمى بالدوائر المتكاملة المتخصصة والمتخصصة (ASIC - الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات). كما يوحي الاسم ، تصنع هذه الدوائر المصغرة من قبل الشركات المصنعة المعداتتحت ترتيب التنفيذ الفعال لبعض المهام المحددة أو مجموعة من المهام. ليس لديهم عالمية ، مثل الدوائر الدقيقة التقليدية ، لكنهم يحلون المهام الموكلة إليهم أسرع عدة مرات ، وأحيانًا بأعداد كبيرة.
• إنشاء رقائق ذات هندسة قابلة لإعادة التشكيل. الفكرة هي أن مثل هذه الرقائق تأتي إلى مطور البرمجيات أو المستخدم في حالة غير مبرمجة ، ويمكنه أن ينفذ عليها البنية التي تناسبه بشكل أفضل. دعونا نلقي نظرة فاحصة على عملية تطويرهم.

بمرور الوقت ، ظهر عدد كبير من الدوائر الدقيقة المختلفة ذات الهندسة المعمارية القابلة لإعادة التشكيل (الشكل 1).

الشكل 1 مجموعة متنوعة من الرقائق ذات الهندسة المعمارية القابلة لإعادة التشكيل

لفترة طويلة ، لم يكن هناك سوى أجهزة PLD (جهاز منطقي قابل للبرمجة) في السوق. تتضمن هذه الفئة الأجهزة التي تقوم بتنفيذ الوظائف اللازمة لحل المهام في شكل فصل كامل شكل عادي(DNF مثالي). أول ما ظهر في عام 1970 كان الدوائر الدقيقة PROM ، والتي تنتمي على وجه التحديد إلى فئة أجهزة PLD. تحتوي كل دائرة على مجموعة ثابتة من وظائف المنطق AND المتصلة بمجموعة قابلة للبرمجة من وظائف المنطق OR. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك PROM مع 3 مدخلات (a و b و c) و 3 مخرجات (w و x و y) (الشكل 2).

أرز. 2. رقاقة PROM

بمساعدة مصفوفة محددة مسبقًا AND ، يتم تنفيذ جميع أدوات الاقتران الممكنة على متغيرات الإدخال ، والتي يمكن بعد ذلك دمجها بشكل تعسفي باستخدام عناصر OR. وبالتالي ، عند الإخراج ، يمكن تنفيذ أي دالة من ثلاثة متغيرات على أنها DNF مثالي. على سبيل المثال ، إذا قمت ببرمجة عناصر OR التي تم وضعها في دائرة باللون الأحمر في الشكل 2 ، فستكون المخرجات هي الدوال w = a x = (a & b) ؛ ص = (أ & ب) ^ ج.

في البداية ، تم تصميم شرائح PROM لتخزين تعليمات البرنامج والقيم الثابتة ، أي لأداء وظائف ذاكرة الكمبيوتر. ومع ذلك ، يستخدمها المطورون أيضًا لتنفيذ وظائف منطقية بسيطة. في الواقع ، يمكن استخدام PROM الخاص بالشريحة لتنفيذ أي كتلة منطقية ، طالما أنها تحتوي على عدد قليل من المدخلات. ينبع هذا الشرط من حقيقة أن مصفوفة العناصر ويتم تعريفها بشكل صارم في الدوائر الدقيقة EPROM - يتم تحقيق جميع الارتباطات الممكنة من المدخلات ، أي عدد العناصر ويساوي 2 * 2 n ، حيث n هو الرقم من المدخلات. من الواضح أنه كلما زاد الرقم n ، ينمو حجم المصفوفة بسرعة كبيرة.

بعد ذلك ، في عام 1975 ، ظهر ما يسمى بالمصفوفات المنطقية القابلة للبرمجة (PLM). إنها استمرار لفكرة الدوائر المصغرة PROM - يتكون PLA أيضًا من صفيفات AND و OR ، ومع ذلك ، على عكس PROM ، فإن كلا المصفوفتين قابلان للبرمجة. يتيح ذلك قدرًا أكبر من المرونة في مثل هذه الدوائر الدقيقة ، لكنها لم تكن شائعة أبدًا لأن الإشارات تستغرق وقتًا أطول للانتقال عبر التوصيلات القابلة للبرمجة مقارنةً بالسفر عبر نظيراتها المحددة مسبقًا.

من أجل حل مشكلة السرعة الكامنة في PLA ، ظهرت الفئة التالية من الأجهزة في أواخر السبعينيات ، وتسمى Programmable Array Logic (PAL - Programmable Array Logic). كان التطور الإضافي لفكرة رقائق PAL هو ظهور أجهزة GAL (Generic Array Logic) - أنواع أكثر تعقيدًا من PAL باستخدام ترانزستورات CMOS. هنا ، يتم استخدام فكرة هي عكس فكرة الدوائر الدقيقة PROM تمامًا - يتم توصيل مجموعة قابلة للبرمجة من عناصر AND بمصفوفة محددة مسبقًا من عناصر OR (الشكل 3).

أرز. 3. جهاز PAL غير مبرمج

هذا يفرض قيودًا على الوظائف ، ومع ذلك ، تتطلب هذه الأجهزة صفائف ذات حجم أصغر بكثير من الدوائر الدقيقة PROM.

كان الاستمرارية المنطقية لـ PLDs البسيطة هو ظهور ما يسمى بـ PLDs المعقدة ، والتي تتكون من عدة كتل من PLDs البسيطة (عادةً ما تستخدم أجهزة PAL مثل PLDs بسيطة) ، متحدًا بواسطة مصفوفة تبديل قابلة للبرمجة. بالإضافة إلى كتل PLD نفسها ، كان من الممكن أيضًا برمجة الاتصالات بينها باستخدام مصفوفة التبديل هذه. ظهرت أول PLDs المعقدة في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات من القرن العشرين ، لكن التطور الرئيسي في هذا الاتجاه جاء في عام 1984 ، عندما قدمت Altera PLD معقدًا يعتمد على مزيج من تقنيات CMOS و EPROM.

ظهور FPGAs

في أوائل الثمانينيات ، كانت هناك فجوة بين الأنواع الرئيسية للأجهزة في بيئة ASIC الرقمية. من ناحية أخرى ، كان هناك PLDs التي يمكن برمجتها لكل مهمة محددة ويسهل تصنيعها تمامًا ، لكن لا يمكن استخدامها لتنفيذ وظائف معقدة. من ناحية أخرى ، هناك ASICs التي يمكنها تنفيذ وظائف معقدة للغاية ، ولكن لديها بنية ثابتة بشكل صارم ، في حين أنها طويلة ومكلفة في التصنيع. كانت هناك حاجة إلى رابط وسيط ، وأصبحت أجهزة FPGA (صفائف البوابة القابلة للبرمجة الميدانية) مثل هذا الارتباط.

FPGAs ، مثل PLDs ، هي أجهزة قابلة للبرمجة. يتمثل الاختلاف الأساسي الرئيسي بين FPGA و PLD في أن الوظائف في FPGA لا يتم تنفيذها بمساعدة DNF ، ولكن بمساعدة جداول البحث القابلة للبرمجة (جداول LUT). في هذه الجداول ، يتم تحديد قيم الوظائف باستخدام جدول الحقيقة ، والذي يتم من خلاله تحديد النتيجة المطلوبة باستخدام معدد إرسال (الشكل 4):

أرز. 4. جدول المراسلات

يتكون كل جهاز من أجهزة FPGA من كتل منطقية قابلة للبرمجة (كتل منطقية قابلة للتكوين - CLB) ، والتي يتم ربطها ببعضها البعض بواسطة اتصالات ، وهي أيضًا قابلة للبرمجة. كل كتلة من هذا القبيل مخصصة لبرمجة بعض الوظائف أو جزء منها ، ومع ذلك ، يمكن استخدامها لأغراض أخرى ، على سبيل المثال ، كذاكرة.

في أجهزة FPGA الأولى ، التي تم تطويرها في منتصف الثمانينيات ، كانت الكتلة المنطقية بسيطة جدًا وتحتوي على جدول LUT ثلاثي المدخلات ، وقلب واحد ، وعدد صغير من العناصر المساعدة. تعد أجهزة FPGA الحديثة أكثر تعقيدًا: تتكون كل كتلة CLB من 1-4 "شرائح" (شريحة) ، يحتوي كل منها على عدة جداول LUT (عادةً 6 مدخلات) ، والعديد من المشغلات وعدد كبير من عناصر الخدمة. فيما يلي مثال على "قص" حديث:

أرز. 5. جهاز "القص" الحديث

خاتمة

نظرًا لأن أجهزة PLD لا يمكنها تنفيذ وظائف معقدة ، يستمر استخدامها لتنفيذ وظائف بسيطة في أجهزة محمولةوالاتصالات ، بينما تتراوح أجهزة FPGA من 1000 بوابة (أول FPGA ، تم تطويره في عام 1985) إلى هذه اللحظةتجاوزت 10 ملايين صمام (عائلة Virtex-6). إنهم يطورون بنشاط ويستبدلون بالفعل رقائق ASIC ، مما يسمح لك بتنفيذ مجموعة متنوعة من الوظائف المعقدة للغاية ، مع عدم فقد إمكانية إعادة البرمجة.

لم يتم تنفيذ هذه المقترحات في تلك السنوات بسبب التطوير غير الكافي للتكنولوجيا.

في نهاية عام 1958 وفي النصف الأول من عام 1959 ، حدث تقدم كبير في صناعة أشباه الموصلات. حل ثلاثة أشخاص يمثلون ثلاث شركات أمريكية خاصة ثلاث مشكلات أساسية حالت دون إنشاء دوائر متكاملة. جاك كيلبي شركة Texas Instrumentsحصل على براءة اختراع مبدأ التوحيد ، وخلق أول نماذج IS الأولية غير الكاملة ونقلها إلى الإنتاج الضخم. كورت ليهوفيتش شركة سبراغ للكهرباءاخترع طريقة للعزل الكهربائي للمكونات المكونة على بلورة واحدة من أشباه الموصلات (العزل بواسطة تقاطع pn (eng. عزل تقاطع P - n)). روبرت نويس فيرتشايلد أشباه الموصلاتاخترع طريقة الربط الكهربائيمكونات IC (طلاء الألمنيوم) واقترحت نسخة محسنة من عزل المكونات بناءً على أحدث التقنيات المستوية بواسطة Jean Ernie (Eng. جان هورني). 27 سبتمبر 1960 فرقة جاي لاست جاي لاست) تم إنشاؤها على فيرتشايلد أشباه الموصلاتأول عمل أشباه الموصلاتالملكية الفكرية على أفكار نويس وإيرني. شركة Texas Instruments، التي امتلكت براءة اختراع كيلبي ، أطلقت حرب براءات الاختراع ضد المنافسين ، والتي انتهت في عام 1966 باتفاقية تسوية بشأن الترخيص المتبادل للتكنولوجيا.

تم بناء الدوائر المتكاملة المنطقية المبكرة للسلسلة المذكورة حرفيًا من معيارالمكونات التي تم تحديد أبعادها وتكويناتها العملية التكنولوجية. مهندسو الدوائر الذين صمموا الدوائر المتكاملة المنطقية لعائلة معينة عملوا بنفس الثنائيات النموذجية والترانزستورات. في 1961-1962 تم كسر نموذج التصميم بواسطة المطور الرئيسي سيلفانياتوم لونغو ، لأول مرة باستخدام مختلف تكوين الترانزستورات حسب وظائفها في الدائرة. في نهاية عام 1962 سيلفانياأطلق أول عائلة من منطق الترانزستور والترانزستور (TTL) التي طورتها Longo - تاريخياً النوع الأول من المنطق المتكامل الذي تمكن من الحصول على موطئ قدم في السوق لفترة طويلة. في الدوائر التناظرية ، تم تحقيق اختراق في هذا المستوى في 1964-1965 بواسطة مطور مكبرات الصوت التشغيلية فيرتشايلدبوب ويدلار.

تم إنشاء أول دائرة كهربائية محلية في عام 1961 في TRTI (معهد تاغانروج لهندسة الراديو) تحت قيادة L.N.Kolesov. جذب هذا الحدث انتباه المجتمع العلمي في الدولة ، وتمت الموافقة على TRTI كشركة رائدة في نظام وزارة التعليم العالي بشأن مشكلة إنشاء معدات إلكترونية دقيقة عالية الموثوقية وأتمتة إنتاجها. كوليسوف نفسه رئيسا للمجلس التنسيقي لهذه المشكلة.

أول فيلم هجين في الاتحاد السوفياتي دارة متكاملة(السلسلة 201 "المسار") تم تطويره في 1963-1965 في معهد أبحاث التكنولوجيا الدقيقة ("Angstrem") ، وهو إنتاج متسلسل منذ عام 1965. شارك متخصصون من NIEM (الآن معهد Argon Research) في التطوير.

تم إنشاء أول دائرة متكاملة لأشباه الموصلات في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية على أساس تقنية مستوية ، تم تطويرها في بداية عام 1960 في NII-35 (تمت إعادة تسميتها بعد ذلك إلى معهد أبحاث بولسار) بواسطة فريق تم نقله لاحقًا إلى NIIME ("ميكرون") . ركز إنشاء أول دائرة متكاملة من السيليكون المحلي على التطوير والإنتاج بقبول عسكري لسلسلة من دوائر السيليكون المتكاملة TC-100 (37 عنصرًا - أي ما يعادل تعقيد الدائرة في فليب فلوب ، نظير الأمريكي سلسلة IC SN-51 شركة شركة Texas Instruments). تم الحصول على نماذج أولية وعينات إنتاج لدوائر السيليكون المتكاملة للتكاثر من الولايات المتحدة الأمريكية. تم تنفيذ العمل في NII-35 (المخرج Trutko) ومصنع Fryazinsky Semiconductor (مدير Kolmogorov) بموجب أمر دفاعي لاستخدامه في مقياس الارتفاع المستقل لنظام توجيه الصواريخ الباليستية. اشتمل التطوير على ست دوائر نموذجية متكاملة من السيليكون المستوي من سلسلة TS-100 ، واستغرق تنظيم الإنتاج التجريبي ثلاث سنوات في NII-35 (من 1962 إلى 1965). استغرق الأمر عامين آخرين لإتقان إنتاج المصنع بقبول عسكري في Fryazino (1967).

بالتوازي مع ذلك ، تم تنفيذ العمل على تطوير دائرة متكاملة في مكتب التصميم المركزي في مصنع فورونيج لأجهزة أشباه الموصلات (الآن -). في عام 1965 ، خلال زيارة وزير الصناعة الإلكترونية أ. شوكين إلى VZPP ، تم توجيه المصنع لإجراء أعمال بحثية حول إنشاء دائرة متجانسة من السيليكون - R & D "Titan" (أمر الوزارة رقم 92 بتاريخ 16 أغسطس) ، 1965) ، والذي كان قبل الموعد المحدد الذي اكتمل بحلول نهاية العام. تم تقديم الموضوع بنجاح إلى لجنة الدولة ، وأصبحت سلسلة من 104 دوائر منطقية للديود والترانزستور أول إنجاز ثابت في مجال الإلكترونيات الدقيقة ذات الحالة الصلبة ، والذي انعكس في ترتيب وزارة التنمية الاقتصادية في 30 ديسمبر ، 1965 رقم 403.

مستويات التصميم

حاليًا (2014) ، تم تصميم معظم الدوائر المتكاملة باستخدام أنظمة CAD المتخصصة ، والتي تتيح لك أتمتة عمليات الإنتاج وتسريعها بشكل كبير ، على سبيل المثال ، الحصول على صور ضوئية طوبولوجية.

تصنيف

درجة التكامل

اعتمادًا على درجة التكامل ، يتم استخدام الأسماء التالية للدوائر المتكاملة:

• دائرة متكاملة صغيرة (MIS) - ما يصل إلى 100 عنصر في بلورة ،
• دائرة متكاملة متوسطة (SIS) - ما يصل إلى 1000 عنصر في بلورة ،
• دائرة متكاملة كبيرة (LSI) - ما يصل إلى 10 آلاف عنصر في الكريستال ،
• دارة متكاملة كبيرة جدًا (VLSI) - أكثر من 10 آلاف عنصر في الكريستال.

في السابق ، تم استخدام الأسماء القديمة أيضًا: دائرة متكاملة واسعة النطاق جدًا (ULSI) - من 1-10 مليون إلى 1 مليار عنصر في بلورة ، وأحيانًا ، دائرة متكاملة كبيرة جيجا (GBIS) - أكثر من 1 مليار عنصر في البلورة. في الوقت الحالي ، في عام 2010 ، لم يتم استخدام الأسماء "UBIS" و "GBIS" عمليًا ، وتم تصنيف جميع الدوائر الدقيقة التي تحتوي على أكثر من 10 آلاف عنصر على أنها VLSI.

تكنولوجيا التصنيع

تمت إزالة التجميع الدقيق الهجين STK403-090 من العلبة

• الدائرة الدقيقة لأشباه الموصلات - يتم تصنيع جميع العناصر والوصلات البينية على بلورة واحدة من أشباه الموصلات (على سبيل المثال ، السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم).

• الدائرة المتكاملة للفيلم - يتم تصنيع جميع العناصر والوصلات البينية على شكل أفلام:
  • دارة متكاملة ذات غشاء سميك ؛
  • دارة متكاملة رقيقة.
• شريحة هجينة (يشار إليها غالبًا باسم التجميع الدقيق) ، يحتوي على العديد من الثنائيات العارية ، والترانزستورات العارية و / أو المكونات الإلكترونية النشطة الأخرى. قد تشتمل التجميعات الدقيقة أيضًا على دوائر متكاملة غير معبأة. عادة ما يتم تصنيع مكونات التجميع الجزئي السلبية (المقاومات ، المكثفات ، المحاثات) باستخدام تقنيات الأغشية الرقيقة أو الأغشية السميكة على ركيزة سيراميك شائعة في الدائرة المصغرة الهجينة. يتم وضع الركيزة بأكملها مع المكونات في غلاف واحد مغلق.
• دائرة متناهية الصغر مختلطة - بالإضافة إلى بلورة أشباه الموصلات ، فإنها تحتوي على عناصر سلبية من الأغشية الرقيقة (غشاء سميك) موضوعة على سطح البلورة.

نوع الإشارة المعالجة

• التناظرية الرقمية.

تقنيات التصنيع

أنواع المنطق

العنصر الرئيسي للدوائر التناظرية هو الترانزستورات (ثنائية القطب أو المجال). يؤثر الاختلاف في تقنية تصنيع الترانزستور بشكل كبير على خصائص الدوائر الدقيقة. لذلك ، غالبًا في وصف الدائرة المصغرة ، يشار إلى تقنية التصنيع من أجل التأكيد الخصائص العامةخصائص وقدرات الدائرة المصغرة. في التقنيات الحديثةالجمع بين تقنيات القطبين و تأثير الترانزستور الميدانلتحسين أداء الرقائق.

• الدوائر الدقيقة على الترانزستورات أحادية القطب (ذات التأثير الميداني) هي الأكثر اقتصادا (من حيث الاستهلاك الحالي):
  • منطق MOS (منطق أكسيد المعادن وأشباه الموصلات) - تتشكل الدوائر الدقيقة من ترانزستورات التأثير الميداني ن-MOS أو صنوع -MOS.
  • منطق CMOS (منطق MOS التكميلي) - كل منهما عنصر منطقيتتكون الدائرة المصغرة من زوج من الترانزستورات ذات التأثير الميداني (التكميلي) ( ن-MOS و ص-MOS).
• الدوائر الدقيقة على الترانزستورات ثنائية القطب:
  • RTL - منطق ترانزستور المقاوم (عفا عليه الزمن ، تم استبداله بـ TTL) ؛
  • DTL - منطق ترانزستور الصمام الثنائي (عفا عليه الزمن ، تم استبداله بـ TTL) ؛
  • TTL - منطق الترانزستور والترانزستور - الدوائر الدقيقة مصنوعة من ترانزستورات ثنائية القطب مع ترانزستورات متعددة الباعث عند الإدخال ؛
  • TTLSh - منطق الترانزستور والترانزستور مع ثنائيات شوتكي - TTL المحسّن الذي يستخدم الترانزستورات ثنائية القطب مع تأثير شوتكي ؛
  • ESL - المنطق المقترن بالباعث - على الترانزستورات ثنائية القطب ، التي يتم اختيار وضع التشغيل لها بحيث لا تدخل وضع التشبع ، مما يزيد السرعة بشكل كبير ؛
  • IIL - منطق الحقن المتكامل.
• الدوائر الدقيقة باستخدام الترانزستورات ذات التأثير الميداني والثنائي القطب:

باستخدام نفس النوع من الترانزستورات ، يمكن بناء الدوائر الدقيقة باستخدام منهجيات مختلفة ، مثل ثابتة أو ديناميكية.

تعد تقنيات CMOS و TTL (TTLS) أكثر منطق الرقاقة شيوعًا. عندما يكون من الضروري توفير الاستهلاك الحالي ، يتم استخدام تقنية CMOS ، حيث تكون السرعة أكثر أهمية وتوفير استهلاك الطاقة ، يتم استخدام تقنية TTL. تكمن نقطة الضعف في دوائر CMOS الدقيقة في التعرض للكهرباء الساكنة - يكفي لمس خرج الدائرة الدقيقة بيدك ، ولم تعد سلامتها مضمونة. مع تطور تقنيات TTL و CMOS ، تقترب الدوائر الدقيقة من حيث المعلمات ، ونتيجة لذلك ، على سبيل المثال ، تم تصنيع سلسلة 1564 من الدوائر الدقيقة باستخدام تقنية CMOS ، والوظائف والتنسيب في العلبة مماثلة لتلك الخاصة بـ TTL تكنولوجيا.

الرقائق المصنعة باستخدام تقنية ESL هي الأسرع ، ولكنها أيضًا الأكثر استهلاكًا للطاقة ، واستخدمت في إنتاج علوم الكمبيوترفي الحالات التي يكون فيها المعامل الأكثر أهمية هو سرعة الحساب. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم تصنيع أجهزة الكمبيوتر الأكثر إنتاجية من النوع ES106x على دوائر دقيقة ESL. الآن هذه التكنولوجيا نادرا ما تستخدم.

العملية التكنولوجية

في صناعة الدوائر الدقيقة ، يتم استخدام طريقة الطباعة الليثوغرافية الضوئية (الإسقاط ، الاتصال ، إلخ) ، بينما يتم تشكيل الدائرة على ركيزة (عادةً السيليكون) يتم الحصول عليها عن طريق قطع بلورات السيليكون المفردة إلى رقائق رقيقة بأقراص ماسية. نظرًا لصغر الأبعاد الخطية لعناصر الدائرة المصغرة ، تم التخلي عن استخدام الضوء المرئي وحتى بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية أثناء الإضاءة.

تم تصنيع المعالجات التالية باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية (ليزر إكسيمر ArF ، الطول الموجي 193 نانومتر). في المتوسط ​​، تم إدخال عمليات تقنية جديدة من قبل قادة الصناعة وفقًا لخطة ITRS كل عامين ، مع مضاعفة عدد الترانزستورات لكل وحدة مساحة: 45 نانومتر (2007) ، 32 نانومتر (2009) ، 22 نانومتر (2011) ، بدأ إنتاج 14 نانومتر في عام 2014 ، ومن المتوقع تطوير عمليات 10 نانومتر في حوالي عام 2018.

في عام 2015 ، كانت هناك تقديرات بأن إدخال العمليات الفنية الجديدة سوف يتباطأ.

رقابة جودة

للتحكم في جودة الدوائر المتكاملة ، يتم استخدام ما يسمى بهياكل الاختبار على نطاق واسع.

غاية

يمكن أن تحتوي الدائرة المتكاملة على وظيفة كاملة ومعقدة بشكل تعسفي - تصل إلى كمبيوتر صغير كامل (كمبيوتر صغير ذو شريحة واحدة).

الدوائر التناظرية

متكامل التناظرية (مجهري)مخطط (AIS, أهداف) - دائرة متكاملة ، تتغير إشارات الإدخال والإخراج وفقًا لقانون الوظيفة المستمرة (أي أنها إشارات تمثيلية).

تم إنشاء عينة مختبرية من IC تمثيلي بواسطة Texas Instruments في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1958. كان مولد تحول الطور. في عام 1962 ، ظهرت السلسلة الأولى من الدوائر الدقيقة التناظرية - SN52. كان يحتوي على مضخم منخفض التردد منخفض الطاقة ومضخم تشغيلي ومضخم فيديو.

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم الحصول على مجموعة كبيرة من الدوائر المتكاملة التناظرية بحلول نهاية السبعينيات. جعل استخدامها من الممكن زيادة موثوقية الأجهزة ، وتبسيط إعداد المعدات ، وحتى في كثير من الأحيان القضاء على الحاجة صيانةأثناء العملية.

يوجد أدناه قائمة جزئية بالأجهزة التي يمكن أداء وظائفها بواسطة الدوائر المتكاملة التناظرية. في كثير من الأحيان ، تحل دائرة كهربائية دقيقة واحدة محل العديد منها في وقت واحد (على سبيل المثال ، تحتوي K174XA42 على جميع العقد الخاصة بجهاز استقبال راديو FM فائق التغاير).

• المرشحات (بما في ذلك تلك القائمة على التأثير الكهرضغطية).
• المضاعفات التناظرية.
• المخففات التناظرية والمضخمات المتغيرة.
• مثبتات التيار الكهربائي: مثبتات الجهد والتيار.
• التحكم في الدوائر الدقيقة لتبديل إمدادات الطاقة.
• محولات الإشارة.
• أجهزة استشعار مختلفة.

تُستخدم الدوائر الدقيقة التناظرية في تضخيم الصوت ومعدات استنساخ الصوت ، في مسجلات الفيديو ، والتلفزيونات ، وتكنولوجيا الاتصالات ، وأدوات القياس ، وأجهزة الكمبيوتر التناظرية ، إلخ.

في أجهزة الكمبيوتر التناظرية

• مكبرات الصوت التشغيلية (LM101 ، μA741).

في امدادات الطاقة

رقاقة مثبت الجهد KR1170EN8

• مثبتات الجهد الخطي (KR1170EN12 ، LM317).
• تبديل مثبتات الجهد (LM2596 ، LM2663).

في كاميرات الفيديو والكاميرات

• مستشعرات CCD (ICX404AL).
• مساطر اتفاقية مكافحة التصحر (MLX90255BA).

في معدات استنساخ الصوت وتضخيم الصوت

• مضخمات طاقة تردد الصوت (LA4420 ، K174UN5 ، K174UN7).
• UMZCH مزدوج لمعدات الاستريو (TDA2004 ، K174UN15 ، K174UN18).
• عناصر تحكم مختلفة (K174UN10 - UMZCH ثنائي القناة مع تحكم إلكتروني في استجابة التردد ، K174UN12 - التحكم في مستوى الصوت والقناة ثنائي القناة).

في أدوات القياس في أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية

• كاشفات إشارة AM (K175DA1).
• كاشفات إشارة FM (K174UR7).
• خلاطات (K174PS1).
• مكبرات الصوت عالية التردد (K157XA1).
• مضخمات التردد المتوسطة (K157XA2 ، K171UR1).
• مستقبلات الراديو أحادية الشريحة (K174XA10).

على أجهزة التلفاز

• في قناة الراديو (K174UR8 - مكبر للصوت مع AGC ، IF كاشف الصورة والصوت ، K174UR2 - IF مضخم جهد الصورة ، كاشف متزامن ، المضخمإشارة الفيديو ، نظام التحكم التلقائي في الكسب الرئيسي).
• في قناة اللون (K174AF5 - لون R- ، G- ، B- إشارات المشكل ، K174XA8 - مفتاح إلكتروني ، مكبر للصوت ومزيل تشكيل إشارات معلومات اللون).
• في عقد الفحص (K174GL1 - مولد مسح الإطار).
• في دوائر التبديل والمزامنة والتصحيح والتحكم (K174AF1 - محدد السعة لإشارة المزامنة ، ومولد نبض التردد الأفقي ، ووحدة ضبط إشارة التردد والطور الأوتوماتيكي ، ومولد نبض محرك الاجتياح الأفقي ، K174UP1 - مكبر إشارة السطوع ، منظم الكترونيتأرجح إشارة الخرج والمستوى الأسود).

إنتاج

الانتقال إلى الأحجام الصغيرة للعناصر المتكاملة يعقد تصميم AIMS. على سبيل المثال ، تتميز الدوائر المتكاملة ذات الفتحة الفلورية (MOSFET) بطول بوابة قصير بعدد من الميزات التي تحد من استخدامها في الكتل التناظرية: مستوى عالٍ من ضوضاء وميض التردد المنخفض ؛ انتشار قوي لجهد العتبة والمنحدر ، مما يؤدي إلى ظهور جهد تعويض كبير للمضخمات التفاضلية والتشغيلية ؛ مقاومة منخفضة للإشارة منخفضة الإخراج وتضخيم الشلالات بحمل نشط ؛ جهد انهيار منخفض للوصلات p-n وفجوة مصدر التصريف ، مما يتسبب في انخفاض جهد الإمداد وانخفاض النطاق الديناميكي.

حاليًا ، يتم تصنيع الدوائر الدقيقة التناظرية من قبل العديد من الشركات: الأجهزة التناظرية ، والإلكترونيات الدقيقة التناظرية ، ومنتجات مكسيم المتكاملة ، وأشباه الموصلات الوطنية ، وتكساس إنسترومنتس ، إلخ.

الدوائر الرقمية

دارة رقمية متكاملة(الدائرة المصغرة الرقمية) هي دائرة كهربائية متكاملة مصممة لتحويل ومعالجة الإشارات التي تتغير وفقًا لقانون الوظيفة المنفصلة.

تعتمد الدوائر الرقمية المتكاملة على مفاتيح الترانزستور التي يمكن أن تكون في حالتين مستقرتين: مفتوحة ومغلقة. يتيح استخدام مفاتيح الترانزستور إنشاء دوائر منطقية مختلفة ومشغلات ودوائر متكاملة أخرى. تُستخدم الدوائر الرقمية المتكاملة في أجهزة معالجة المعلومات المنفصلة لأجهزة الكمبيوتر الإلكترونية (أجهزة الكمبيوتر) وأنظمة التشغيل الآلي ، إلخ.

• محولات العازلة
• معالجات (صغيرة) (بما في ذلك وحدات المعالجة المركزية لأجهزة الكمبيوتر)
• الرقائق ووحدات الذاكرة
• FPGA (الدوائر المتكاملة المنطقية القابلة للبرمجة)

للدوائر الرقمية المتكاملة عدد من المزايا مقارنة بالدوائر التناظرية:

• انخفاض استهلاك الطاقةالمرتبطة باستخدام الإشارات الكهربائية النبضية في الإلكترونيات الرقمية. عند استقبال وتحويل مثل هذه الإشارات ، تعمل العناصر النشطة للأجهزة الإلكترونية (الترانزستورات) في وضع "المفتاح" ، أي أن الترانزستور إما "مفتوح" - والذي يتوافق مع إشارة عالية المستوى (1) ، أو "مغلق" - (0) ، في الحالة الأولى على الترانزستور لا يوجد انخفاض في الجهد ، في الحالة الثانية - لا يتدفق التيار خلاله. في كلتا الحالتين ، يكون استهلاك الطاقة قريبًا من 0 ، على عكس الأجهزة التناظرية ، حيث تكون الترانزستورات في حالة وسيطة (نشطة) معظم الوقت.
• مناعة عالية ضد الضوضاءترتبط الأجهزة الرقمية بفرق كبير بين إشارات المستوى العالي (على سبيل المثال ، 2.5-5 فولت) والمنخفض (0-0.5 فولت). من الممكن حدوث خطأ في الحالة عند هذا المستوى من التداخل بحيث يتم تفسير المستوى العالي على أنه مستوى منخفض والعكس صحيح ، وهو أمر غير محتمل. الى جانب ذلك ، في الأجهزة الرقميةمن الممكن استخدام أكواد خاصة تسمح بتصحيح الأخطاء.
• إن الاختلاف الكبير في مستويات حالات الإشارات عالية ومنخفضة المستوى (المنطقي "0" و "1") ونطاق واسع إلى حد ما من التغييرات المسموح بها يجعل التكنولوجيا الرقمية غير حساسة للانتشار الحتمي لمعلمات العناصر في التكنولوجيا المتكاملة ، مما يلغي الحاجة إلى تحديد المكونات وتكوين عناصر الضبط في الأجهزة الرقمية.

الدوائر التناظرية إلى الرقمية

الدائرة المتكاملة التناظرية الرقمية(الدائرة الدقيقة التناظرية الرقمية) - دائرة متكاملة مصممة لتحويل الإشارات التي تتغير وفقًا لقانون الوظيفة المنفصلة ، إلى إشارات تتغير وفقًا لقانون الوظيفة المستمرة ، والعكس صحيح.

في كثير من الأحيان ، تؤدي دائرة كهربائية صغيرة واحدة وظائف عدة أجهزة في وقت واحد (على سبيل المثال ، يحتوي التقريب المتتالي ADCs على DAC ، حتى يتمكنوا من إجراء تحويلات ثنائية الاتجاه). قائمة الأجهزة (غير مكتملة) ، والتي يمكن أداء وظائفها عن طريق الدوائر المتكاملة التناظرية إلى الرقمية:

• المحولات الرقمية إلى التناظرية (DAC) والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADC) ؛
• معددات الإرسال التناظرية (في حين أن معددات الإرسال الرقمية (de) هي دوائر متكاملة رقمية بحتة ، تحتوي معددات الإرسال التناظرية على عناصر منطقية رقمية (عادةً وحدة فك ترميز) وقد تحتوي على دوائر تمثيلية) ؛
• أجهزة الإرسال والاستقبال (على سبيل المثال ، جهاز الإرسال والاستقبال لواجهة الشبكة إيثرنت);
• المغيرات ومزيلات التشكيل.
  • أجهزة مودم راديو
  • أجهزة فك التشفير للنصوص التليفزيونية ، نص راديو VHF ؛
  • أجهزة إرسال واستقبال إيثرنت سريعة وخطوط بصرية ؛
  • اتصال تليفونيأجهزة المودم.
  • أجهزة استقبال التلفزيون الرقمي
  • مستشعر فأرة الكمبيوتر البصري ؛
• رقائق إمداد الطاقة للأجهزة الإلكترونية - المثبتات ومحولات الجهد ومفاتيح الطاقة وما إلى ذلك ؛
• المخففات الرقمية
• دوائر حلقة مغلقة الطور (PLL) ؛
• مولدات وترميمات الساعة ؛
• بلورات المصفوفة الأساسية (BMC): تحتوي على الدوائر التناظرية والرقمية.

سلسلة رقاقة

يتم إنتاج الدوائر الدقيقة التناظرية والرقمية في سلسلة. السلسلة عبارة عن مجموعة من الدوائر الدقيقة التي لها تصميم واحد وتصميم تكنولوجي ومخصصة للاستخدام المشترك. الدوائر الدقيقة من نفس السلسلة ، كقاعدة عامة ، لها نفس الفولتية لإمدادات الطاقة ، وهي مطابقة من حيث مقاومة المدخلات والمخرجات ، ومستويات الإشارة.

فيلق

حزم الدوائر المتكاملة المعدة للتركيب على السطح

تجميع دقيق مع دائرة كهربائية صغيرة بدون إطار ملحومة على لوحة دوائر مطبوعة

عناوين محددة

سوق عالمي

في عام 2017 ، قدرت السوق العالمية للدوائر المتكاملة بنحو 700 مليار دولار.

في 12 سبتمبر 1958 ، أظهر جاك كيلبي أحد موظفي شركة Texas Instruments (TI) للإدارة جهازًا غريبًا - جهاز مُلصق بشمع العسل على طبقة زجاجية من قطعتين من السيليكون بقياس 11.1x1.6 ملم. لقد كان تخطيطًا ثلاثي الأبعاد - نموذج أولي لدائرة متكاملة (IC) للمولد ، مما يثبت إمكانية تصنيع جميع عناصر الدائرة بناءً على مادة واحدة من أشباه الموصلات. يتم الاحتفال بهذا التاريخ في تاريخ الإلكترونيات باعتباره عيد ميلاد الدوائر المتكاملة.

تشمل الدوائر المتكاملة (الدوائر الدقيقة ، الدوائر المتكاملة) الأجهزة الإلكترونيةمتفاوتة التعقيد ، حيث يتم تصنيع جميع العناصر من نفس النوع في وقت واحد في دورة تكنولوجية واحدة ، أي من خلال التكنولوجيا المتكاملة. على عكس لوحات الدوائر المطبوعة(حيث يتم تصنيع جميع الموصلات المتصلة في وقت واحد في دورة واحدة باستخدام تقنية متكاملة) يتم تشكيل المقاومات والمكثفات والصمامات الثنائية والترانزستورات بالمثل في الدوائر المتكاملة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنتاج العديد من الدوائر المتكاملة في نفس الوقت ، من عشرات إلى الآلاف

في السابق ، تم تمييز مجموعتين من الدوائر المتكاملة: الهجين وأشباه الموصلات

في الدوائر المتكاملة الهجينة (HICs) ، تتشكل جميع الموصلات والعناصر السلبية على سطح ركيزة دوائر دقيقة (عادة ما تكون مصنوعة من السيراميك) باستخدام تقنية متكاملة. يتم تثبيت العناصر النشطة في شكل ثنائيات وترانزستورات وشرائح IC شبه الموصلة على الركيزة بشكل فردي أو يدويًا أو تلقائيًا

في الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات ، تتشكل العناصر المتصلة والسلبية والنشطة في دورة تكنولوجية واحدة على سطح مادة شبه موصلة مع اقتحام جزئي لحجمها عن طريق طرق الانتشار. في الوقت نفسه ، يتم تصنيع من عدة عشرات إلى عدة آلاف من الدوائر المتكاملة على رقاقة واحدة من أشباه الموصلات

أول مرحلية مختلطة.

GIS هو نتاج التطور التطوري للوحدات الصغيرة وتكنولوجيا ألواح السيراميك. لذلك ، ظهروا بشكل غير محسوس ، ولا يوجد تاريخ مقبول لميلاد GIS ومؤلف معترف به بشكل عام.

كانت الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات نتيجة طبيعية وحتمية لتطوير تقنية أشباه الموصلات ، ولكنها تطلبت توليد أفكار جديدة وإنشاء تقنيات جديدة لها تواريخ ميلادها ومؤلفوها.

ظهرت الدوائر المتكاملة الهجينة وأشباه الموصلات الأولى في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية في وقت واحد تقريبًا وبشكل مستقل عن بعضها البعض.

في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي ، طورت شركة Centralab في الولايات المتحدة الأمريكية المبادئ الأساسية لتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة القائمة على السيراميك ذات الأغشية السميكة.

وفي أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، اخترع RCA تقنية الأغشية الرقيقة: من خلال رش مواد مختلفة في فراغ وإيداعها من خلال قناع على ركائز خاصة ، تعلموا كيفية إنتاج العديد من الأفلام المصغرة التي تربط الموصلات والمقاومات والمكثفات في وقت واحد على ركيزة خزفية واحدة .

مقارنة بتقنية الأغشية السميكة ، وفرت تقنية الأغشية الرقيقة إمكانية تصنيع أكثر دقة لعناصر الهيكل الأصغر ، ولكنها تتطلب معدات أكثر تعقيدًا وباهظة الثمن. تسمى الأجهزة المصنعة على الألواح الخزفية باستخدام تقنية الأغشية السميكة أو الأغشية الرقيقة "الدوائر الهجينة"

لكن الوحدة الصغيرة أصبحت دائرة متكاملة هجينة في الوقت الذي تم فيه استخدام الترانزستورات والصمامات الثنائية بدون حزمة وكان الهيكل مغلقًا في حاوية مشتركة

في الاتحاد السوفياتي

تم تطوير أول GIS (وحدات من نوع "Kvant" ، تم تحديده لاحقًا IS series 116) في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في عام 1963 في NIIRE (لاحقًا NPO Leninets ، Leningrad) وفي نفس العام بدأ مصنعها التجريبي الإنتاج الضخم. في نظم المعلومات الجغرافية هذه ، تم استخدام الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات "P12-2" كعناصر نشطة ، تم تطويرها في عام 1962 بواسطة مصنع ريجا لأجهزة أشباه الموصلات

مما لا شك فيه ، كانت وحدات Kvant أول نظام معلومات جغرافي في العالم مع تكامل ثنائي المستوى - كعناصر نشطة لم يستخدموا الترانزستورات المنفصلة بدون إطار ، ولكن الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات

في الولايات المتحدة الأمريكية

تم الإعلان عن ظهور نظام المعلومات الجغرافية ذو الأغشية السميكة كأساس أساسي للعنصر الأساسي لجهاز كمبيوتر IBM System / 360 الجديد لأول مرة من قبل شركة IBM في عام 1964

لا تزال الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات من سلسلة "Micrologic" بواسطة Fairchild و "SN-51" بواسطة TI نادرة للغاية ومكلفة للغاية للاستخدام التجاري ، مما يؤدي إلى بناء جهاز كمبيوتر مركزي. لذلك ، قامت شركة IBM ، التي اتخذت تصميم وحدة صغيرة مسطحة كأساس ، بتطوير سلسلتها الخاصة من نظم المعلومات الجغرافية ذات الأغشية السميكة ، والتي تم الإعلان عنها تحت الاسم الشائع (على عكس "الوحدات الصغيرة") - "وحدات SLT" (تقنية المنطق الصلب - تقنية المنطق الصلب. عادةً ما تُترجم كلمة "صلب" إلى اللغة الروسية على أنها "صلبة" ، وهو أمر غير منطقي تمامًا. في الواقع ، تم تقديم مصطلح "وحدات SLT" بواسطة شركة IBM على عكس مصطلح "وحدة ميكروية" ويجب أن يعكس الاختلاف بينهما. وكلمة "صلبة" لها معاني أخرى - "صلبة" ، "كاملة" ، والتي أكدت بنجاح على الفرق بين "وحدات SLT" و "micromodules"

كانت وحدة SLT عبارة عن صفيحة ميكروية من السيراميك ذات غشاء سميك مربعة مع دبابيس عمودية مضغوطة. تم تطبيق الموصلات والمقاومات الموصلة على سطحه عن طريق الطباعة الحريرية ، وتم تركيب ترانزستورات بدون عبوات. تم تثبيت المكثفات ، إذا لزم الأمر ، بجانب وحدة SLT

مع مظهر متطابق تقريبًا (الوحدات الصغيرة أعلى إلى حد ما) ، اختلفت وحدات SLT عن الوحدات الصغيرة المسطحة في كثافة عالية من العناصر ، واستهلاك منخفض للطاقة ، وسرعة عالية وموثوقية عالية.

بالإضافة إلى ذلك ، كان من السهل إلى حد ما أتمتة تقنية SLT ، بحيث يمكن إنتاجها بتكلفة منخفضة بما يكفي لاستخدامها في المعدات التجارية. هذا هو بالضبط ما احتاجته شركة IBM. بعد شركة IBM ، بدأ إنتاج GIS من قبل شركات أخرى أصبحت GIS منتجًا تجاريًا لها.

في الأيام الأولى من فبراير 2014 ، تم الاحتفال بالذكرى الخامسة والخمسين لظهور مثل هذا الجزء المتكامل من الدوائر الحديثة في المجتمع العالمي كدائرة متكاملة.

نذكرك أنه في عام 1959 أصدر مكتب براءات الاختراع الفيدرالي للولايات المتحدة الأمريكية براءة اختراع لشركة Texas Instruments لإنشاء دائرة متكاملة.

تمت الإشارة إلى هذا الحدث على أنه ولادة عصر الإلكترونيات وجميع الفوائد الناشئة عن استخدامه.

في الواقع ، الدائرة المتكاملة هي أساس معظم الأجهزة الكهربائية المعروفة لدينا.

ظهرت لأول مرة فكرة إنشاء دائرة متكاملة في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي. كانت الحجة الرئيسية لظهورها هي تصغير تكلفة الأجهزة الكهربائية وتخفيضها. لفترة طويلة ، كانت الأفكار حول تنفيذه في الهواء ، على الرغم من حقيقة أن فروع الدوائر مثل التلفزيون والراديو ، وكذلك تكنولوجيا الكمبيوتر ، كانت تتطور بنشاط في العالم.

يعني إنشاء دائرة متكاملة رفض الأسلاك الإضافية ، ولوحات التركيب ، والعزل في إنتاج الدوائر القائمة على الثنائيات وترانزستورات أشباه الموصلات. ومع ذلك ، لم يكن أحد قادراً على إدراك مثل هذه الأفكار لفترة طويلة. فقط بعد العمل النشط لمهندس موهوب ومعروف مثل جاك كيلبي (الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لاختراع الدائرة المتكاملة في عام 2000) ، في عام 1958 ، تم تقديم أول دائرة كهربائية دقيقة. بعد ما يقرب من ستة أشهر ، حصل الاختراع على براءة اختراع من قبل الشركة التي عمل بها كيلبي (Texas Instruments).

بالطبع ، يمكننا الآن أن نقول حقيقة أن أول دائرة كهربائية دقيقة للعالم الألماني كيلبي كانت غير صالحة للاستعمال تمامًا. ومع ذلك ، تم إنشاء جميع الدوائر المتكاملة اللاحقة على أساسها ، وإحدى هذه الدوائر كانت تقنية روبرت نويس - دائرة كهربائية مستوية من السيليكون.

تولى R. Noyce منصبًا رفيعًا في Fairchald Semiconductor ، وبصورة أدق ، كان أحد مؤسسيها. حصل عمل نويس على براءة اختراع على الفور تقريبًا بعد منح براءة اختراع كيلبي. ومع ذلك ، على عكس رقاقة كيلبي ، كان تصميم Noyce مطلوبًا بين الشركات المصنعة للكهرباء الرئيسية. تسبب هذا في نزاع بين شركة Texas Instruments و Fairchald Semiconductor والتقاضي اللاحق حتى عام 1969. نتيجة لذلك ، تم تسمية Noyce كأول مخترع للدوائر الدقيقة. على الرغم من أن هذا المزيج من الظروف لم يزعج مالكي الشركتين على الإطلاق. قبل بضع سنوات ، توصلوا إلى قرار بالإجماع واعترفوا بكلا العلماء كمؤسسي دائرة متكاملة بنفس الحقوق ، ومنحهم أعلى الجوائز من المجتمعات العلمية والهندسية الأمريكية - الميدالية الوطنية للعلوم والميدالية الوطنية لـ تكنولوجيا.

إذا تعمقت في الماضي ، فيمكنك القول بثقة أنه قبل تقديم Noyce و Kilby للدائرة الصغيرة للعالم ، عمل عدد كبير من العلماء على هذه الفكرة ، الذين لم يقدموا تصميمات أقل تقدمًا. ومن بينهم المهندس ويرنر جاكوبي (ألمانيا). تم تسجيل براءة اختراع تطوره في عام 1949. في براءة الاختراع ، رسم المهندس تصميمًا لدائرة كهربائية دقيقة مكونة من 5 ترانزستورات على ركيزة مشتركة. لاحقًا ، في عام 1952 ، وصف المهندس الإنجليزي د. دومر مبدأ دمج مكونات الدائرة في وحدة واحدة. بعد خمس سنوات أخرى ، أعلن جيفري دومر أول عينة عمل لدائرة فليب فلوب متكاملة تعتمد على أربعة ترانزستورات. لسوء الحظ ، لم يقدر المتخصصون البريطانيون في الوحدات العسكرية اختراعات دامر ، رغم أنه كان ينبغي عليهم ذلك. نتيجة لذلك ، تم تعليق كل عمل العالم. لاحقًا ، أُطلق على اختراع دومر اسم سلف الدوائر الدقيقة الحديثة ، وكان العالم نفسه يُدعى نبي الدائرة المتكاملة.

في عام 1957 ، في الولايات المتحدة الأمريكية ، تقدم مهندس آخر برنارد أوليفر بطلب للحصول على براءة اختراع للتكنولوجيا التي وصفها لإنتاج كتلة متجانسة على ثلاثة ترانزستورات مستوية.

من بين أسماء أنبياء الدائرة المصغرة الحديثة الأحرف الأولى للمهندس Harvick Johnson ، الذي حصل على براءة اختراع عدة أنواع من إنشاء مكونات إلكترونية للدوائر على شريحة واحدة في وقت واحد ، لكنه لم يتلق أبدًا مستندًا واحدًا يسمح بتحقيق اكتشافاته. استخدم جاك كيلبي إحدى هذه الأساليب ، الذي نال كل أمجاد جونسون.

6 فبراير 1959 ، بالضبط قبل 55 عامًا، منح مكتب براءات الاختراع الفيدرالي الأمريكي براءة اختراع لاختراع دائرة متكاملة لشركة Texas Instruments. وهكذا ، تم الاعتراف رسميًا بميلاد التكنولوجيا ، والتي بدونها ، لن يكون لدينا اليوم الغالبية العظمى من الأجهزة الإلكترونية المألوفة لدينا والقدرات المرتبطة بها.

كانت فكرة الدائرة المتكاملة في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، كما يقولون ، في الهواء. تم بالفعل إنشاء الترانزستور ؛ تتطلب الدوائر الإذاعية والتلفزيونية سريعة التطور ، ناهيك عن تكنولوجيا الكمبيوتر ، البحث عن حلول للتصغير ؛ احتاج السوق الاستهلاكي إلى معدات أرخص. فكرة التخلص من كل شيء لا لزوم له من الدائرة على ترانزستورات وثنائيات أشباه الموصلات (ألواح التركيب والأسلاك والأغلفة والعوازل) ، وتجميع جوهرها - تقاطعات n-p - في "لبنة" واحدة - لا بد أن تأتي إلى رأس شخص ما.

وهذا ما حدث. أتى. علاوة على ذلك ، هناك العديد من المهندسين الموهوبين في آن واحد ، ولكن يُعتبر اليوم واحدًا منهم فقط "والد الدائرة المتكاملة" - جاك كيلبي ، موظف في شركة Texas Instruments ، الذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2000 لاختراعه الدائرة المتكاملة. في 24 يوليو 1958 ، كتب فكرة الجهاز الجديد في يوميات العمل الخاصة به ، في 12 سبتمبر ، أظهر عينة عملية من الدائرة المصغرة ، وأعد طلب براءة الاختراع وقدمها ، وفي 6 فبراير 1959 استلمها .

لكي نكون منصفين ، كان تصميم الدائرة الدقيقة المصغرة من الجرمانيوم في كيلبي غير مناسب عمليًا للتطوير الصناعي ، وهو ما لا يمكن قوله عن الدائرة الدقيقة السليكونية المستوية التي طورها روبرت نويس.

قام روبرت نويس ، الذي عمل في Fairchald Semiconductor (كان أيضًا أحد مؤسسي هذه الشركة) ، في نفس الوقت تقريبًا وبشكل مستقل عن كيلبي ، بتطوير نسخته الخاصة من تصميم دائرة متكاملة ، وحصل على براءة اختراع لها و ... Fairchald Semiconductor في حرب براءات الاختراع المستمرة لمدة 10 سنوات ، والتي انتهت في 6 نوفمبر 1969 بقرار من محكمة الاستئناف الأمريكية لبراءات الاختراع والجمارك ، والتي بموجبها يجب اعتبار المخترع الوحيد للدائرة الدقيقة ... روبرت نويس! وأيدت المحكمة العليا الأمريكية هذا القرار.

ومع ذلك ، حتى قبل صدور حكم المحكمة ، في عام 1966 ، اتفقت الشركتان على الاعتراف بحقوق متساوية لبعضهما البعض في الدائرة المتكاملة ، وحصل كلا المخترعين - كيلبي ونويس على نفس أعلى الجوائز من المجتمعات العلمية والهندسية الأمريكية: الميدالية الوطنية لـ العلم والميدالية الوطنية للتكنولوجيا.

ولكن كان هناك آخرون ممن صاغوا ، قبل كيلبي ونويس بكثير ، مبدأ التصميم وحصلوا على براءة اختراع للدائرة المتكاملة. رسم المهندس الألماني فيرنر جاكوبي ، في براءة اختراعه عام 1949 ، تصميم دائرة مكونة من 5 ترانزستورات على ركيزة مشتركة. في 7 مايو 1952 ، وصف مهندس الراديو الإنجليزي جيفري دومر مبدأ دمج مكونات الدائرة في وحدة واحدة في خطابه العام في ندوة حول المكونات الإلكترونية في واشنطن (بالمناسبة ، كان جاك كيلبي حاضرًا أيضًا في هذه الندوة) ؛ في عام 1957 ، قدم نموذجًا أوليًا عمليًا لأول فليب فليب متكامل في العالم بأربعة ترانزستور. لم يفهم المتخصصون من الإدارة العسكرية في إنجلترا الجدة ولم يقدروا إمكاناتها. تم إغلاق الأعمال. بعد ذلك ، أطلق على دومر في وطنه لقب "نبي الدائرة المتكاملة" ، ودعي للمشاركة في العديد من المشاريع الوطنية والدولية لتطوير التقنيات الإلكترونية.

في الولايات المتحدة في أكتوبر من نفس العام ، قدم برنارد أوليفر طلب براءة اختراع ، حيث وصف طريقة لتصنيع كتلة متجانسة من ثلاثة ترانزستورات مستوية. في 21 مايو 1953 ، قدم المهندس Harvick Johnson طلبًا لعدة طرق لتشكيل مجموعة متنوعة من مكونات الدوائر الإلكترونية في شريحة واحدة. من المضحك أن أحد الخيارات التي اقترحها جونسون تم تنفيذه بشكل مستقل وحصل على براءة اختراع من قبل جاك كيلبي بعد 6 سنوات. مذهل!

السير الذاتية التفصيلية لجميع مخترعي الدائرة المتكاملة ، أوصاف الأحداث والظروف العظيمة ، لست خائفًا من الكلمة ، يمكن لأي شخص العثور بسهولة على الاختراعات اليوم: كل هذا موجود على الويب. في عيد ميلاد الدائرة المصغرة ، أود أن "أعطي الكلمة" لجميع الثلاثة: جيفري دومر ، وجاك كيلبي ، وروبرت نويس. في أوقات مختلفة في مقابلة ، شاركوا ذكرياتهم "كيف كانت" وأفكارهم وتجاربهم. اخترت بعض العبارات التي بدت ممتعة بالنسبة لي ...

جيفري دومر:
"مع ظهور الترانزستور والعمل على أشباه الموصلات بشكل عام ، يبدو اليوم أنه من الممكن إثارة مسألة إنشاء معدات إلكترونية على شكل كتلة صلبة دون أي أسلاك توصيل. قد تتكون هذه الكتلة من طبقات من مواد عازلة وموصله وتصحيح وتضخيم الإشارة. يمكن ضبط الوظائف الإلكترونية للمكونات وربطها بشكل صحيح عن طريق قطع أجزاء من الطبقات الفردية ".
"في أحد كتبي ، أوضحت سبب فشلي على أنه تعبت جدًا من الحروب البيروقراطية التي لا نهاية لها ، ولكن ربما ليس هذا هو الشيء الوحيد. الحقيقة هي أن لا أحد يريد المجازفة. لن تدخل وزارة الحرب في عقد لشراء جهاز لم يتم إحضاره إلى نموذج صناعي. لم يرغب بعض المطورين في تولي قضية غير معروفة لهم. هذه حالة دجاجة وبيضة. الأمريكيون مغامرون ماليون ، وفي هذا البلد (يعني إنجلترا. - يو. ر.) كل شيء يسير ببطء شديد ".

جاك كيلبي:
"بعد ظهور الترانزستور على الساحة ، تجدد الاهتمام بما أصبح يسمى منذ بعض الوقت" التصغير ". لم يكن ذلك مطلقًا غاية في حد ذاته ، ولكن بالنسبة لعدد كبير من التطبيقات ، بدا من الملائم جدًا جمع المزيد من المكونات في مكان واحد وتعبئتها بشكل أكثر إحكامًا. وبعد ذلك ، بدأت البحرية مشروعًا حول الصمامات القريبة. لقد احتاجوا حقًا إلى جهاز يتم فيه تجميع جميع المكونات الإلكترونية على لوحة بوصة مربعة ، لا أكثر. لقد أنفقوا بالفعل مبلغًا لا بأس به من المال ، لكنهم لم يحصلوا أبدًا على ما يريدون ... لقد حل الترانزستور جميع المشكلات. بشكل عام ، آنذاك والآن ، إذا كان لديك منتج جديد وكان يهم الجيش ، أو يمكنك ترتيب ذلك بطريقة تجعله محل اهتمام الجيش ، فعندئذ كقاعدة عامة ، ستعمل بدون مشاكل ، لأنه سيكون لديك تمويل. كان هذا صحيحًا في تلك الأوقات البعيدة ، وهو صحيح الآن ".

كان الدافع الرئيسي للعمل في الدائرة المتكاملة هو تقليل تكلفة معدات التصنيع. صحيح ، في ذلك الوقت لم أكن أتخيل حقًا حجم الانخفاض المحتمل في السعر ومقدار عامل الرخص الذي سيوسع مجال تطبيق الإلكترونيات في مناطق مختلفة تمامًا. في عام 1958 ، تكلف ترانزستور واحد من السيليكون ، والذي لم يباع جيدًا أيضًا ، حوالي 10 دولارات. اليوم ، يمكن لـ 10 دولارات شراء أكثر من 100 مليون ترانزستور. لم أستطع توقع هذا. وأنا متأكد من أن أحداً لم يتخيل إمكانية ذلك.

"بدأنا في تطوير أول آلة حاسبة دقيقة (في الصورة) من أجل توسيع سوق الدوائر المتكاملة: السوق الشامل مهم بالنسبة لهم. قمنا ببيع الآلات الحاسبة الأولى بمبلغ 500 دولار أمريكي ، واليوم يتم بيعها مقابل 4-5 دولارات أمريكية وأصبحت منتجًا يمكن التخلص منه. هذا حول مسألة خفض التكلفة.

هل اختراع الدائرة المتكاملة أعظم إنجاز لي في الحياة؟ أوه ، بالتأكيد! .. "

روبرت نويس:
"في فيرتشايلد ، بدأنا العمل في مشروع هندسي أطلق عليه الجيش اسم" الهندسة الجزيئية ". تم تمويله من قبل القوات الجوية. كان من المفترض أن نخلق نوعًا من الهياكل المبنية من جزيء على جزيء أو حتى بناء ذرة على ذرة. ويجب أن يؤدي هذا الهيكل وظائف الجهاز الإلكتروني. لم يكن هذا هو ملفنا الشخصي بالضبط ، لأن قوة صناعة الإلكترونيات كانت دائمًا في تجميع شيء ما من عناصر بسيطة ، وليس محاولة ابتكار عنصر معقد. يتم إنشاء عناصر دائرة بسيطة: المكثفات ، والمقاومات ، وعناصر التضخيم ، والثنائيات ، وما إلى ذلك ، ثم يتم تصنيع الوظيفة المطلوبة منها. بشكل عام ، حدث خطأ ما في الهندسة الجزيئية ".

"أنت تسأل عما إذا كان قرارًا تسويقيًا في الأساس هو الدخول في دوائر متكاملة. لا أعتقد ذلك. أعتقد أن معظم الإنجازات من هذا النوع لم يتنبأ بها المسوقون ولم يتم إعدادها بوعي من قبلهم. هم بالأحرى نشأوا من المنطق تطور تقني. يمكن وصف ذلك الوقت على النحو التالي: "الآن يمكننا القيام بذلك. لماذا لا تحاول بيعه؟ " واليوم يأتي شخص من التسويق ويقول: "إذا كان لدينا هذا ، فيمكننا بيعه". هل يمكنك أن تشعر أين الاختلاف؟ في حالة الدائرة المتكاملة ، كان الشيء الأكثر إثارة هو الشعور بالحاجة إلى هذا الجهاز. كل شخص لديه. للجيش ، للمدنيين ... كما ترى ، للجميع!