El primer circuito integrado. La historia de la invención del circuito integrado. reducir el costo de los equipos

Introducción

Desde la aparición de las primeras computadoras, los desarrolladores de software han soñado con hardware diseñado para resolver su problema particular. Por lo tanto, la idea de crear circuitos integrados especiales que puedan agudizarse para la implementación efectiva de una tarea específica apareció hace bastante tiempo. Hay dos caminos de desarrollo aquí:

• El uso de los llamados circuitos integrados especializados hechos a la medida (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Como su nombre lo indica, dichos microcircuitos están hechos por fabricantes. hardware bajo la orden para la implementación efectiva de alguna tarea específica o rango de tareas. No tienen universalidad, como los microcircuitos convencionales, pero resuelven las tareas que se les asignan muchas veces más rápido, a veces por órdenes de magnitud.
• Creación de chips con arquitectura reconfigurable. La idea es que dichos chips lleguen al desarrollador o usuario del software en un estado no programado, y pueda implementar en ellos la arquitectura que más le convenga. Echemos un vistazo más de cerca a su proceso de desarrollo.

Con el tiempo, apareció una gran cantidad de varios microcircuitos con arquitectura reconfigurable (Fig. 1).

Fig. 1 Variedad de chips con arquitectura reconfigurable

Durante mucho tiempo, solo existían en el mercado dispositivos PLD (Programmable Logic Device). Esta clase incluye dispositivos que implementan las funciones necesarias para resolver las tareas en forma de una disyuntiva perfecta. forma normal(perfecto DNF). Los primeros en aparecer en 1970 fueron los microcircuitos PROM, que pertenecen precisamente a la clase de dispositivos PLD. Cada circuito tenía una matriz fija de funciones lógicas AND conectadas a un conjunto programable de funciones lógicas OR. Por ejemplo, considere una PROM con 3 entradas (a, b y c) y 3 salidas (w, x e y) (Fig. 2).

Arroz. 2. chip PROM

Con la ayuda de una matriz AND predefinida, todas las conjunciones posibles se implementan en las variables de entrada, que luego se pueden combinar arbitrariamente usando elementos OR. Así, en la salida, cualquier función de tres variables puede implementarse como un DNF perfecto. Por ejemplo, si programa esos elementos OR que están encerrados en un círculo rojo en la Figura 2, las salidas serán las funciones w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Inicialmente, los chips PROM se diseñaron para almacenar instrucciones de programas y valores constantes, es decir, para realizar las funciones de la memoria de la computadora. Sin embargo, los desarrolladores también los utilizan para implementar funciones lógicas simples. De hecho, la PROM del chip se puede utilizar para implementar cualquier bloque lógico, siempre que tenga una pequeña cantidad de entradas. Esta condición se deriva del hecho de que la matriz de elementos Y está rígidamente definida en los microcircuitos EPROM: todas las conjunciones posibles de las entradas se realizan en ella, es decir, el número de elementos Y es igual a 2 * 2 n, donde n es el número de entradas Está claro que a medida que aumenta el número n, el tamaño de la matriz crece muy rápidamente.

Luego, en 1975, aparecieron los llamados arreglos lógicos programables (PLM). Son una continuación de la idea de los microcircuitos PROM: PLA también consta de matrices AND y OR; sin embargo, a diferencia de PROM, ambas matrices son programables. Esto permite una mayor flexibilidad en tales microcircuitos, pero nunca han sido comunes porque las señales tardan mucho más en viajar a través de conexiones programables que a través de sus contrapartes predefinidas.

Con el fin de resolver el problema de velocidad inherente a los PLA, a fines de la década de 1970 apareció la siguiente clase de dispositivos, denominada Programmable Array Logic (PAL - Programmable Array Logic). Otro desarrollo de la idea de los chips PAL fue la aparición de dispositivos GAL (Generic Array Logic), variedades más complejas de PAL que utilizan transistores CMOS. Aquí, se utiliza una idea que es exactamente opuesta a la idea de los microcircuitos PROM: una matriz programable de elementos AND está conectada a una matriz predefinida de elementos OR (Fig. 3).

Arroz. 3. Dispositivo PAL no programado

Esto impone una limitación en la funcionalidad, sin embargo, dichos dispositivos requieren matrices de un tamaño mucho más pequeño que en los microcircuitos PROM.

La continuación lógica de los PLD simples fue la aparición de los llamados PLD complejos, que consisten en varios bloques de PLD simples (por lo general, los dispositivos PAL se usan como PLD simples), unidos por una matriz de conmutación programable. Además de los propios bloques PLD, también fue posible programar las conexiones entre ellos utilizando esta matriz de conmutación. Los primeros PLD complejos aparecieron a finales de los 70 y principios de los 80 del siglo XX, pero el principal avance en esta dirección se produjo en 1984, cuando Altera introdujo un PLD complejo basado en una combinación de tecnologías CMOS y EPROM.

El advenimiento de los FPGA

A principios de la década de 1980, existía una brecha entre los principales tipos de dispositivos en el entorno ASIC digital. Por un lado, había PLD que se pueden programar para cada tarea específica y son bastante fáciles de fabricar, pero no se pueden usar para implementar funciones complejas. Por otro lado, hay ASIC que pueden implementar funciones extremadamente complejas, pero tienen una arquitectura fija rígida, mientras que su fabricación es larga y costosa. Se necesitaba un enlace intermedio, y los dispositivos FPGA (Field Programmable Gate Arrays) se convirtieron en dicho enlace.

Los FPGA, como los PLD, son dispositivos programables. La principal diferencia fundamental entre FPGA y PLD es que las funciones en FPGA no se implementan con la ayuda de DNF, sino con la ayuda de tablas de búsqueda programables (tablas LUT). En estas tablas, los valores de las funciones se especifican mediante una tabla de verdad, de la cual se selecciona el resultado requerido mediante un multiplexor (Fig. 4):

Arroz. 4. Tabla de correspondencia

Cada dispositivo FPGA consta de bloques lógicos programables (Configurable Logic Blocks - CLB), que están interconectados por conexiones, también programables. Cada uno de estos bloques está destinado a programar alguna función o parte de ella, sin embargo, puede usarse para otros fines, por ejemplo, como memoria.

En los primeros dispositivos FPGA, desarrollados a mediados de los 80, el bloque lógico era muy simple y contenía una tabla LUT de 3 entradas, un flip-flop y una pequeña cantidad de elementos auxiliares. Los dispositivos FPGA modernos son mucho más complicados: cada bloque CLB consta de 1-4 "segmentos" (segmento), cada uno de los cuales contiene varias tablas LUT (generalmente 6 entradas), varios disparadores y una gran cantidad de elementos de servicio. Aquí hay un ejemplo de un "corte" moderno:

Arroz. 5. El dispositivo del "corte" moderno.

Conclusión

Dado que los dispositivos PLD no pueden implementar funciones complejas, continúan utilizándose para implementar funciones simples en dispositivos portables y comunicaciones, mientras que los dispositivos FPGA van desde 1000 puertas (el primer FPGA, desarrollado en 1985) hasta este momento superó los 10 millones de válvulas (familia Virtex-6). Se están desarrollando activamente y ya están reemplazando los chips ASIC, lo que le permite implementar una variedad de funciones extremadamente complejas, sin perder la posibilidad de reprogramación.

La implementación de estas propuestas en esos años no pudo llevarse a cabo debido al insuficiente desarrollo de la tecnología.

A fines de 1958 y en la primera mitad de 1959, se produjo un gran avance en la industria de los semiconductores. Tres personas que representaban a tres corporaciones estadounidenses privadas resolvieron tres problemas fundamentales que impedían la creación de circuitos integrados. Jack Kilby de Instrumentos Texas patentó el principio de unificación, creó los primeros prototipos IS imperfectos y los llevó a la producción en masa. Kurt Lehovec de Compañía eléctrica de Sprague inventó un método de aislamiento eléctrico de componentes formados en un solo cristal semiconductor (aislamiento por una unión p-n (ing. Aislamiento de unión P-n)). Roberto Noyce de Semiconductor Fairchild inventó una manera conexión eléctrica componentes IC (recubrimiento de aluminio) y propuso una versión mejorada del aislamiento de componentes basada en la última tecnología planar de Jean Ernie (Ing. Juan Hoerni). 27 de septiembre de 1960 Banda de Jay Last Jay último) creado en Semiconductor Fairchild primer trabajo semiconductor IP sobre las ideas de Noyce y Ernie. Instrumentos Texas, propietaria de la patente de la invención de Kilby, desató una guerra de patentes contra sus competidores, que terminó en 1966 con un acuerdo de resolución sobre licencias cruzadas de tecnología.

Los primeros circuitos integrados lógicos de la serie mencionada se construyeron literalmente a partir de estándar componentes cuyas dimensiones y configuraciones han sido especificadas proceso tecnológico. Los ingenieros de circuitos que diseñaron circuitos integrados lógicos de una familia en particular operaron con los mismos diodos y transistores típicos. En 1961-1962 el paradigma de diseño fue roto por el desarrollador principal Sylvania Tom Longo, por primera vez usando varios Configuración de transistores según sus funciones en el circuito. A finales de 1962 Sylvania lanzó la primera familia de lógica transistor-transistor (TTL) desarrollada por Longo, históricamente el primer tipo de lógica integrada que logró afianzarse en el mercado durante mucho tiempo. En circuitos analógicos, el desarrollador de amplificadores operacionales hizo un avance de este nivel en 1964-1965. justo Bob Widlar.

El primer microcircuito doméstico se creó en 1961 en el TRTI (Instituto de Ingeniería de Radio de Taganrog) bajo la dirección de L. N. Kolesov. Este evento atrajo la atención de la comunidad científica del país, y TRTI fue aprobado como líder en el sistema del Ministerio de Educación Superior en el problema de crear equipos microelectrónicos de alta confiabilidad y automatizar su producción. El propio L. N. Kolesov fue nombrado Presidente del Consejo de Coordinación para este problema.

El primero en la película gruesa híbrida de la URSS. circuito integrado(serie 201 "Path") se desarrolló en 1963-65 en el Instituto de Investigación de Tecnología de Precisión ("Angstrem"), producción en serie desde 1965. En el desarrollo participaron especialistas del NIEM (ahora Argon Research Institute).

El primer circuito integrado de semiconductores en la URSS se creó sobre la base de tecnología planar, desarrollado a principios de 1960 en NII-35 (luego rebautizado como Pulsar Research Institute) por un equipo, que luego se transfirió a NIIME ("Mikron") . La creación del primer circuito integrado de silicio doméstico se centró en el desarrollo y la producción con aceptación militar de una serie de circuitos integrados de silicio TC-100 (37 elementos, el equivalente a la complejidad del circuito de un flip-flop, un análogo del estadounidense). serie de circuitos integrados número de serie-51 empresas Instrumentos Texas). Prototipos y muestras de producción de circuitos integrados de silicio para reproducción se obtuvieron de EE. UU. El trabajo se llevó a cabo en NII-35 (director Trutko) y la Planta de Semiconductores Fryazinsky (director Kolmogorov) bajo una orden de defensa para su uso en un altímetro autónomo de un sistema de guía de misiles balísticos. El desarrollo incluyó seis circuitos planos de silicio integrados típicos de la serie TS-100 y, con la organización de la producción piloto, tomó tres años en NII-35 (de 1962 a 1965). Se necesitaron otros dos años para dominar la producción en fábrica con aceptación militar en Fryazino (1967).

Paralelamente, se trabajó en el desarrollo de un circuito integrado en la Oficina Central de Diseño en la Planta de Dispositivos Semiconductores de Voronezh (ahora -). En 1965, durante una visita a VZPP del Ministro de Industria Electrónica A. I. Shokin, se ordenó a la planta que realizara trabajos de investigación sobre la creación de un circuito monolítico de silicio: I + D "Titan" (Orden del Ministerio No. 92 del 16 de agosto). , 1965), que se completó antes de lo previsto a finales de año. El tema se presentó con éxito a la Comisión Estatal, y una serie de 104 circuitos lógicos de diodo-transistor se convirtió en el primer logro fijo en el campo de la microelectrónica de estado sólido, que se reflejó en la orden del Ministerio de Desarrollo Económico del 30 de diciembre. 1965 N° 403.

niveles de diseño

Actualmente (2014), la mayoría de los circuitos integrados se diseñan utilizando sistemas CAD especializados, que permiten automatizar y agilizar significativamente los procesos productivos, por ejemplo, obteniendo fotomáscaras topológicas.

Clasificación

Grado de integración

Dependiendo del grado de integración, se utilizan los siguientes nombres de circuitos integrados:

• pequeño circuito integrado (MIS) - hasta 100 elementos en un cristal,
• circuito integrado medio (SIS) - hasta 1000 elementos en un cristal,
• gran circuito integrado (LSI) - hasta 10 mil elementos en un cristal,
• circuito integrado muy grande (VLSI) - más de 10 mil elementos en un cristal.

Anteriormente, ahora también se usaban nombres obsoletos: un circuito integrado de escala ultragrande (ULSI), de 1 a 10 millones a mil millones de elementos en un cristal y, a veces, un circuito integrado giga-grande (GBIS), más de 1 mil millones de elementos en un cristal. Actualmente, en la década de 2010, los nombres "UBIS" y "GBIS" prácticamente no se utilizan, y todos los microcircuitos con más de 10 mil elementos se clasifican como VLSI.

Tecnología de fabricación

Microensamblaje híbrido STK403-090 extraído de la caja

• Microcircuito semiconductor: todos los elementos e interconexiones se realizan en un solo cristal semiconductor (por ejemplo, silicio, germanio, arseniuro de galio).

• Circuito integrado de película: todos los elementos e interconexiones se realizan en forma de películas:
  • circuito integrado de película gruesa;
  • Circuito integrado de película delgada.
• Un chip híbrido (a menudo denominado microensamblaje), contiene varios diodos desnudos, transistores desnudos y/u otros componentes electrónicos activos. El microensamblaje también puede incluir circuitos integrados no empaquetados. Los componentes de microensamblaje pasivos (resistencias, capacitores, inductores) generalmente se fabrican utilizando tecnologías de película delgada o película gruesa en un sustrato común, generalmente cerámico, del microcircuito híbrido. Todo el sustrato con los componentes se coloca en una única carcasa sellada.
• Microcircuito mixto: además de un cristal semiconductor, contiene elementos pasivos de película delgada (película gruesa) colocados en la superficie del cristal.

Tipo de señal procesada

• Analógico-digital.

Tecnologías de fabricación

tipos de lógica

El elemento principal de los circuitos analógicos son los transistores (bipolares o de campo). La diferencia en la tecnología de fabricación de transistores afecta significativamente las características de los microcircuitos. Por lo tanto, a menudo en la descripción del microcircuito, la tecnología de fabricación se indica para enfatizar características generales propiedades y capacidades del microcircuito. EN tecnologías modernas combinar las tecnologías de bipolar y transistores de efecto de campo para mejorar el rendimiento de los chips.

• Los microcircuitos en transistores unipolares (de efecto de campo) son los más económicos (en términos de consumo de corriente):
  • Lógica MOS (lógica de semiconductores de óxido de metal): los microcircuitos se forman a partir de transistores de efecto de campo norte-MOS o pag-Tipo MOS;
  • Lógica CMOS (lógica MOS complementaria) - cada uno elemento lógico El microcircuito consta de un par de transistores de efecto de campo complementarios (complementarios) ( norte-MOS y pag-MOS).
• Microcircuitos en transistores bipolares:
  • RTL: lógica de resistencia-transistor (obsoleta, reemplazada por TTL);
  • DTL: lógica de diodo-transistor (obsoleta, reemplazada por TTL);
  • TTL - lógica transistor-transistor - los microcircuitos están hechos de transistores bipolares con transistores de múltiples emisores en la entrada;
  • TTLSh - lógica transistor-transistor con diodos Schottky - un TTL mejorado que utiliza transistores bipolares con el efecto Schottky;
  • ESL - lógica acoplada por emisor - en transistores bipolares, cuyo modo de operación se elige para que no entren en modo de saturación, lo que aumenta significativamente la velocidad;
  • IIL - lógica de inyección integral.
• Microcircuitos que utilizan transistores bipolares y de efecto de campo:

Usando el mismo tipo de transistores, se pueden construir microcircuitos usando diferentes metodologías, como estática o dinámica.

Las tecnologías CMOS y TTL (TTLS) son las lógicas de chip más comunes. Donde es necesario ahorrar consumo de corriente se utiliza tecnología CMOS, donde la velocidad es más importante y no se requiere ahorrar consumo de energía se utiliza tecnología TTL. El punto débil de los microcircuitos CMOS es la vulnerabilidad a la electricidad estática: basta con tocar la salida del microcircuito con la mano y su integridad ya no está garantizada. Con el desarrollo de las tecnologías TTL y CMOS, los microcircuitos se acercan en términos de parámetros y, como resultado, por ejemplo, la serie 1564 de microcircuitos se fabrica utilizando tecnología CMOS, y la funcionalidad y la ubicación en la carcasa son similares a las de TTL. tecnología.

Los chips fabricados con tecnología ESL son los más rápidos, pero también los que consumen más energía, y se utilizaron en la producción de Ciencias de la Computación en los casos en que el parámetro más importante era la velocidad de cálculo. En la URSS, las computadoras más productivas del tipo ES106x se fabricaron con microcircuitos ESL. Ahora bien, esta tecnología rara vez se utiliza.

Proceso tecnológico

En la fabricación de microcircuitos se utiliza el método de la fotolitografía (proyección, contacto, etc.), mientras que el circuito se forma sobre un sustrato (normalmente silicio) obtenido mediante el corte de monocristales de silicio en delgadas obleas con discos de diamante. Debido a la pequeñez de las dimensiones lineales de los elementos del microcircuito, se abandonó el uso de luz visible e incluso radiación ultravioleta cercana durante la iluminación.

Los siguientes procesadores se fabricaron utilizando luz ultravioleta (láser excimer ArF, longitud de onda 193 nm). En promedio, la introducción de nuevos procesos técnicos por parte de los líderes de la industria según el plan ITRS se llevó a cabo cada 2 años, mientras se duplicaba el número de transistores por unidad de área: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) , la producción de 14 nm comenzó en 2014, se espera el desarrollo de procesos de 10 nm alrededor de 2018.

En 2015, hubo estimaciones de que la introducción de nuevos procesos técnicos se ralentizará.

Control de calidad

Para controlar la calidad de los circuitos integrados, se utilizan ampliamente las denominadas estructuras de prueba.

Objetivo

Un circuito integrado puede tener una funcionalidad completa y arbitrariamente compleja, hasta una microcomputadora completa (microcomputadora de un solo chip).

Circuitos Analógicos

analógico integrado (micro)esquema (SIA, OBJETIVOS) - un circuito integrado, cuyas señales de entrada y salida cambian según la ley de una función continua (es decir, son señales analógicas).

Una muestra de laboratorio de un IC analógico fue creada por Texas Instruments en los EE. UU. en 1958. Era un generador de cambio de fase. En 1962, apareció la primera serie de microcircuitos analógicos: SN52. Tenía un amplificador de baja frecuencia de baja potencia, un amplificador operacional y un amplificador de video.

En la URSS, se obtuvo una gran variedad de circuitos integrados analógicos a fines de la década de 1970. Su uso hizo posible aumentar la confiabilidad de los dispositivos, simplificar la configuración del equipo y, a menudo, incluso eliminar la necesidad Mantenimiento durante la operación.

A continuación se muestra una lista parcial de dispositivos cuyas funciones pueden ser realizadas por circuitos integrados analógicos. A menudo, un microcircuito reemplaza a varios de ellos a la vez (por ejemplo, K174XA42 contiene todos los nodos de un receptor de radio FM superheterodino).

• Filtros (incluidos los basados ​​en el efecto piezoeléctrico).
• multiplicadores analógicos.
• Atenuadores analógicos y amplificadores variables.
• Estabilizadores de fuentes de alimentación: Estabilizadores de tensión y corriente.
• Microcircuitos de control de fuentes de alimentación conmutadas.
• Convertidores de señal.
• Varios sensores.

Los microcircuitos analógicos se utilizan en equipos de amplificación y reproducción de sonido, en grabadoras de video, televisores, tecnología de comunicación, instrumentos de medición, computadoras analógicas, etc.

En computadoras analógicas

• Amplificadores operacionales (LM101, μA741).

en fuentes de alimentación

Chip estabilizador de voltaje KR1170EN8

• Estabilizadores de voltaje lineal (KR1170EN12, LM317).
• Estabilizadores de voltaje de conmutación (LM2596, LM2663).

En videocámaras y cámaras

• Sensores CCD (ICX404AL).
• Reglas CCD (MLX90255BA).

En equipos de amplificación y reproducción de sonido

• Etapas de potencia de audiofrecuencia (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• UMZCH dual para equipo estéreo (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Varios controles (K174UN10 - UMZCH de dos canales con control electrónico de respuesta de frecuencia, K174UN12 - control de volumen y balance de dos canales).

En instrumentos de medida En transmisores y receptores de radio

• Detectores de señal AM (K175DA1).
• Detectores de señal FM (K174UR7).
• Mezcladores (K174PS1).
• Amplificadores de alta frecuencia (K157XA1).
• Amplificadores de frecuencia intermedia (K157XA2, K171UR1).
• Receptores de radio de un solo chip (K174XA10).

en televisores

• En el canal de radio (K174UR8 - amplificador con AGC, detector de imagen y sonido de FI, K174UR2 - amplificador de tensión de imagen de FI, detector síncrono, preamplificador señal de video, sistema de control automático de ganancia clave).
• En el canal de color (K174AF5 - modelador de señales R, G y B de color, K174XA8 - interruptor electrónico, amplificador limitador y demodulador de señales de información de color).
• En los nodos del escaneo (K174GL1 - generador de escaneo de cuadros).
• En circuitos de conmutación, sincronización, corrección y control (K174AF1 - selector de amplitud de una señal de sincronización, generador de pulsos de frecuencia horizontal, unidad de ajuste de señal de fase y frecuencia automática, generador de pulsos de controlador de barrido horizontal, K174UP1 - amplificador de señal de brillo, regulador electronico Oscilación de la señal de salida y nivel de negro).

Producción

La transición a tamaños submicrométricos de elementos integrales complica el diseño de AIMS. Por ejemplo, los MOSFET con una longitud de puerta corta tienen una serie de características que limitan su uso en bloques analógicos: un alto nivel de ruido de parpadeo de baja frecuencia; una fuerte dispersión del voltaje de umbral y la pendiente, lo que lleva a la aparición de un gran voltaje de compensación de amplificadores diferenciales y operacionales; baja resistencia de baja señal de salida y amplificación de cascadas con una carga activa; bajo voltaje de ruptura de las uniones p-n y la brecha entre el drenaje y la fuente, lo que provoca una disminución en el voltaje de suministro y una disminución gama dinámica.

Actualmente, los microcircuitos analógicos son fabricados por muchas empresas: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, etc.

Circuitos digitales

Circuito Integrado Digital(microcircuito digital) es un microcircuito integrado diseñado para convertir y procesar señales que cambian según la ley de una función discreta.

Los circuitos integrados digitales se basan en interruptores de transistores que pueden estar en dos estados estables: abierto y cerrado. El uso de interruptores de transistores permite crear varios circuitos lógicos, disparadores y otros circuitos integrados. Los circuitos integrados digitales se utilizan en dispositivos de procesamiento de información discretos de computadoras electrónicas (computadoras), sistemas de automatización, etc.

• Convertidores de tampón
• (Micro)procesadores (incluyendo CPU para computadoras)
• Chips y módulos de memoria
• FPGA (Circuitos Integrados Lógicos Programables)

Los circuitos integrados digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos:

• Consumo de energía reducido asociado con el uso de señales eléctricas pulsadas en la electrónica digital. Al recibir y convertir tales señales, los elementos activos de los dispositivos electrónicos (transistores) funcionan en el modo "clave", es decir, el transistor está "abierto", que corresponde a una señal de alto nivel (1), o "cerrado". - (0), en el primer caso, en el transistor no hay caída de voltaje, en el segundo, no fluye corriente a través de él. En ambos casos, el consumo de energía es cercano a 0, a diferencia de los dispositivos analógicos, en los que los transistores se encuentran en un estado intermedio (activo) la mayor parte del tiempo.
• Alta inmunidad al ruido dispositivos digitales se asocia con una gran diferencia entre las señales de nivel alto (por ejemplo, 2,5-5 V) y bajo (0-0,5 V). Es posible un error de estado a un nivel de interferencia tal que un nivel alto se interprete como un nivel bajo y viceversa, lo cual es poco probable. Además, en dispositivos digitales es posible usar códigos especiales que permiten corregir errores.
• Una gran diferencia en los niveles de los estados de las señales de alto y bajo nivel ("0" y "1" lógicos) y un rango bastante amplio de sus cambios permitidos hace que la tecnología digital sea insensible a la inevitable propagación de los parámetros de los elementos en la tecnología integrada, elimina la necesidad de seleccionar componentes y configurar elementos de ajuste en dispositivos digitales.

Circuitos de analógico a digital

Circuito Integrado Analógico-Digital(microcircuito analógico-digital) - un circuito integrado diseñado para convertir señales que cambian según la ley de una función discreta, en señales que cambian según la ley de una función continua, y viceversa.

A menudo, un microcircuito realiza las funciones de varios dispositivos a la vez (por ejemplo, los ADC de aproximación sucesiva contienen un DAC, por lo que pueden realizar conversiones bidireccionales). Lista de dispositivos (incompleta), cuyas funciones pueden ser realizadas por circuitos integrados de analógico a digital:

• convertidores de digital a analógico (DAC) y de analógico a digital (ADC);
• multiplexores analógicos (mientras que los (des)multiplexores digitales son circuitos integrados puramente digitales, los multiplexores analógicos contienen elementos lógicos digitales (generalmente un decodificador) y pueden contener circuitos analógicos);
• transceptores (por ejemplo, un transceptor de interfaz de red ethernet);
• moduladores y demoduladores;
  • módems de radio;
  • decodificadores de teletexto, radiotexto VHF;
  • transceptores Fast Ethernet y líneas ópticas;
  • marcar módems;
  • receptores de televisión digital;
  • sensor óptico del ratón de la computadora;
• chips de suministro de energía para dispositivos electrónicos: estabilizadores, convertidores de voltaje, interruptores de energía, etc.;
• atenuadores digitales;
• circuitos de bucle de bloqueo de fase (PLL);
• generadores y restauradores de relojes;
• cristales de matriz básica (BMC): contiene circuitos tanto analógicos como digitales.

Serie de chips

Los microcircuitos analógicos y digitales se producen en serie. Una serie es un conjunto de microcircuitos que tienen un único diseño y diseño tecnológico y están destinados a un uso conjunto. Los microcircuitos de la misma serie, por regla general, tienen los mismos voltajes de las fuentes de alimentación, se combinan en términos de resistencias de entrada y salida, niveles de señal.

Cuerpo

Paquetes de circuitos integrados destinados al montaje en superficie

Microensamblaje con un microcircuito sin marco soldado en una placa de circuito impreso

títulos específicos

Mercado mundial

En 2017, el mercado global de circuitos integrados se estimó en $700 mil millones.

El 12 de septiembre de 1958, un empleado de Texas Instruments (TI), Jack Kilby, le mostró a la gerencia un dispositivo extraño: un dispositivo pegado con cera de abejas en un sustrato de vidrio de dos piezas de silicio que miden 11,1x1,6 mm. Era un diseño tridimensional: un prototipo de un circuito integrado (CI) de un generador, que demostraba la posibilidad de fabricar todos los elementos del circuito a partir de un único material semiconductor. Esta fecha se celebra en la historia de la electrónica como el cumpleaños de los circuitos integrados.

Los circuitos integrados (microcircuitos, circuitos integrados) incluyen dispositivos electrónicos de diversa complejidad, en la que todos los elementos del mismo tipo se fabrican simultáneamente en un único ciclo tecnológico, es decir, por tecnología integrada. A diferencia de placas de circuito impreso(en el que todos los conductores de conexión se fabrican simultáneamente en un solo ciclo utilizando tecnología integrada), las resistencias, los condensadores, los diodos y los transistores se forman de manera similar en los circuitos integrados. Además, se producen muchos circuitos integrados al mismo tiempo, desde decenas hasta miles.

Anteriormente se distinguían dos grupos de circuitos integrados: híbridos y semiconductores

En los circuitos integrados híbridos (HIC), todos los conductores y elementos pasivos se forman en la superficie de un sustrato de microcircuito (generalmente hecho de cerámica) utilizando tecnología integrada. Los elementos activos en forma de diodos sin paquete, transistores y chips IC semiconductores se instalan en el sustrato de forma individual, manual o automática.

En los circuitos integrados semiconductores, los elementos de conexión, pasivos y activos se forman en un solo ciclo tecnológico en la superficie de un material semiconductor con una intrusión parcial en su volumen por métodos de difusión. Al mismo tiempo, se fabrican desde varias decenas hasta varios miles de circuitos integrados en una oblea de semiconductor

Los primeros circuitos integrados híbridos.

GIS es un producto del desarrollo evolutivo de micromódulos y tecnología de placas cerámicas. Por lo tanto, aparecieron imperceptiblemente, no hay una fecha de nacimiento generalmente aceptada de SIG y un autor generalmente reconocido.

Los circuitos integrados de semiconductores fueron un resultado natural e inevitable del desarrollo de la tecnología de semiconductores, pero requirieron la generación de nuevas ideas y la creación de nuevas tecnologías que tienen sus propias fechas de nacimiento y sus propios autores.

Los primeros circuitos integrados híbridos y de semiconductores aparecieron en la URSS y los EE. UU. casi simultáneamente e independientemente unos de otros.

A fines de la década de 1940, Centralab en los EE. UU. desarrolló los principios básicos para la fabricación de placas de circuito impreso basadas en cerámica de película gruesa.

Y a principios de la década de 1950, RCA inventó la tecnología de película delgada: al rociar varios materiales en el vacío y depositarlos a través de una máscara sobre sustratos especiales, aprendieron a producir simultáneamente muchas películas en miniatura que conectaban conductores, resistencias y capacitores en un solo sustrato cerámico. .

En comparación con la tecnología de película gruesa, la tecnología de película delgada brindaba la posibilidad de una fabricación más precisa de elementos de topología más pequeños, pero requería un equipo más complejo y costoso. Los dispositivos fabricados en placas de cerámica que utilizan tecnología de película gruesa o película delgada se denominan "circuitos híbridos".

Pero el micromódulo se convirtió en un circuito integrado híbrido en el momento en que se utilizaron transistores y diodos sin paquete y la estructura se selló en una carcasa común.

EN LA URSS

Los primeros GIS (módulos del tipo “Kvant”, posteriormente designados IS serie 116) en la URSS se desarrollaron en 1963 en NIIRE (luego NPO Leninets, Leningrado) y en el mismo año su planta piloto comenzó su producción en masa. En estos GIS, se utilizaron como elementos activos los circuitos integrados semiconductores "P12-2", desarrollados en 1962 por la Planta de Dispositivos Semiconductores de Riga.

Sin duda, los módulos Kvant fueron los primeros GIS del mundo con integración de dos niveles: como elementos activos, no utilizaron transistores discretos sin marco, sino circuitos integrados de semiconductores.

EN LOS EE.UU

La aparición de GIS de película gruesa como elemento base principal de la nueva computadora IBM System /360 fue anunciada por primera vez por IBM Corporation en 1964.

Los circuitos integrados de semiconductores de la serie "Micrologic" de Fairchild y "SN-51" de TI todavía eran inaccesiblemente raros y prohibitivamente caros para uso comercial, construyendo una computadora central. Por lo tanto, IBM, tomando como base el diseño de un micromódulo plano, desarrolló su propia serie de GIS de película gruesa, anunciada bajo el nombre común (a diferencia de "micromódulos") - "Módulos SLT" (Tecnología de lógica sólida - tecnología de lógica sólida. Por lo general, la palabra "sólido" se traduce al ruso como "sólido" , lo cual es absolutamente ilógico. De hecho, IBM introdujo el término "módulos SLT" como contraste con el término "micromódulo" y debería reflejar su diferencia. La palabra "sólido" tiene otros significados: "sólido", "entero" , que enfatizan con éxito la diferencia entre "módulos SLT" y "micromódulos"

El módulo SLT era una microplaca cerámica cuadrada de película gruesa con clavijas verticales insertadas a presión. Se aplicaron conductores de conexión y resistencias a su superficie mediante serigrafía, y se instalaron transistores sin paquete. Se instalaron capacitores, en caso de ser necesarios, al lado del módulo SLT

Con una apariencia casi idéntica (los micromódulos son algo más altos), los módulos SLT se diferenciaban de los micromódulos planos en una mayor densidad de elementos, bajo consumo de energía, alta velocidad y alta confiabilidad.

Además, la tecnología SLT era bastante fácil de automatizar, por lo que podían producirse a un costo lo suficientemente bajo como para usarse en equipos comerciales. Esto es exactamente lo que necesitaba IBM. Siguiendo a IBM, GIS comenzó a ser producido por otras compañías para las cuales GIS se convirtió en un producto comercial.

En los primeros días de febrero de 2014, se marcó el quincuagésimo quinto aniversario de la aparición en la comunidad mundial de una parte tan integral de los circuitos modernos como un circuito integrado.

Les recordamos que en 1959 la Oficina Federal de Patentes de los Estados Unidos de América emitió una patente a Texas Instruments para la creación de un circuito integrado.

Este evento se señaló como el nacimiento de la era de la electrónica y todos los beneficios derivados de su uso.

De hecho, el circuito integrado es la base de la mayoría de los aparatos eléctricos que conocemos.

Por primera vez, la idea de crear un circuito integrado surgió a principios de los años cincuenta del siglo pasado. El principal argumento para su aparición fue la miniaturización y reducción del coste de los electrodomésticos. Durante mucho tiempo, los pensamientos sobre su implementación simplemente estuvieron en el aire, a pesar de que ramas de circuitos como la televisión y la radio, así como la tecnología informática, se estaban desarrollando activamente en el mundo.

La creación de un circuito integrado significó el rechazo de cables adicionales, paneles de montaje, aislamiento en la producción de circuitos basados ​​​​en diodos y transistores semiconductores. Sin embargo, durante mucho tiempo nadie pudo realizar tales ideas. Solo después del trabajo activo de un ingeniero tan talentoso y conocido como Jack Kilby (ganador del Premio Nobel de Física por la invención del circuito integrado en 2000), en 1958, se presentó el primer microcircuito. Casi seis meses después, la empresa para la que trabajaba Kilby (Texas Instruments) patentó el invento.

Por supuesto, ahora podemos afirmar el hecho de que el primer microcircuito del científico alemán Kilby estaba completamente inutilizable. Sin embargo, todos los circuitos integrados posteriores se crearon sobre esta base, uno de los cuales fue la tecnología de Robert Noyce: un microcircuito plano de silicio.

R. Noyce ocupó un alto cargo en Fairchald Semiconductor, más precisamente, fue uno de sus fundadores. El trabajo de Noyce fue patentado casi inmediatamente después de que se concediera la patente de Kilby. Sin embargo, a diferencia del chip Kilby, el diseño de Noyce fue demandado entre los principales fabricantes eléctricos. Esto provocó una disputa entre Texas Instruments y Fairchald Semiconductor y un litigio posterior hasta 1969. Como resultado, Noyce fue nombrado el primer inventor de microcircuitos. Aunque tal combinación de circunstancias no molestó en absoluto a los propietarios de ambas empresas. Unos años antes, llegaron a una decisión unánime y reconocieron a ambos científicos como los fundadores de un circuito integrado con los mismos derechos, otorgándoles los más altos premios de las comunidades científica y de ingeniería de EE. UU.: la Medalla Nacional de Ciencias y la Medalla Nacional de Tecnología.

Si profundiza en el pasado, puede decir con confianza que antes de que Noyce y Kilby introdujeran el microcircuito en el mundo, una gran cantidad de científicos trabajaron en esta idea, quienes ofrecieron diseños no menos avanzados. Entre ellos se encuentra el ingeniero Werner Jacobi (Alemania). Su desarrollo fue incluso patentado en 1949. En la patente, el ingeniero esbozaba el diseño de un microcircuito de 5 transistores sobre un sustrato común. Más tarde, en 1952, el ingeniero inglés D. Dummer describió el principio de integrar los componentes del circuito en una sola unidad. Después de otros cinco años, Jeffrey Dummer anunció la primera muestra funcional de un circuito flip-flop integrado basado en cuatro transistores. Desafortunadamente, los especialistas británicos de las unidades militares no apreciaron las invenciones de Dammer, aunque deberían haberlo hecho. Como resultado, se suspendió todo el trabajo del científico. Más tarde, el invento de Dummer fue llamado el progenitor de los microcircuitos modernos, y el científico mismo fue llamado el profeta del circuito integrado.

En 1957, en los Estados Unidos de América, otro ingeniero, Bernard Oliver, solicitó una patente para la tecnología que describió para la producción de un bloque monolítico en tres transistores planos.

Entre los nombres de los profetas del microcircuito moderno se encuentran las iniciales del ingeniero Harvick Johnson, quien patentó varios tipos de creación de componentes electrónicos de circuitos en un solo chip a la vez, pero nunca recibió un solo documento que permitiera realizar sus descubrimientos. Uno de estos métodos fue el utilizado por Jack Kilby, quien se llevó todos los laureles de Johnson.

6 de febrero de 1959, hace exactamente 55 años, La Oficina Federal de Patentes de EE. UU. otorgó una patente para la invención de un circuito integrado a Texas Instruments. Así, se reconoció oficialmente el nacimiento de la tecnología, sin la cual hoy no tendríamos a mano la gran mayoría de los dispositivos electrónicos que nos son familiares y las capacidades asociadas a ellos.

La idea de un circuito integrado a finales de los 50, como dicen, estaba en el aire. El transistor ya ha sido creado; el rápido desarrollo de los circuitos de radio y televisión, sin mencionar la tecnología informática, requería la búsqueda de soluciones para la miniaturización; el mercado de consumo necesitaba equipos más baratos. La idea de desechar todo lo superfluo del circuito en transistores y diodos semiconductores (paneles de montaje, cables, cajas y aisladores), reuniendo su esencia, uniones n-p, en un "ladrillo", inevitablemente tuvo que venir a la cabeza de alguien.

Y así sucedió. Vino. Además, varios ingenieros talentosos a la vez, pero solo uno de ellos es considerado hoy como el "padre del circuito integrado": Jack Kilby, un empleado de Texas Instruments, quien recibió el Premio Nobel de Física en 2000 por la invención de el circuito integrado El 24 de julio de 1958, escribió la idea de un nuevo dispositivo en su diario de trabajo, el 12 de septiembre, demostró una muestra funcional del microcircuito, preparó y presentó una solicitud de patente, y el 6 de febrero de 1959 la recibió. .

Para ser justos, el diseño del microcircuito de germanio de Kilby era prácticamente inadecuado para el desarrollo industrial, lo que no se puede decir del microcircuito plano de silicio desarrollado por Robert Noyce.

Robert Noyce, que trabajaba en Fairchald Semiconductor (también fue uno de los fundadores de esta empresa), casi simultáneamente e independientemente de Kilby, desarrolló su propia versión del diseño de un circuito integrado, lo patentó y... hundió a Texas Instruments y Fairchald Semiconductor en una guerra de patentes continua durante 10 años, que finalizó el 6 de noviembre de 1969 con la decisión de la Corte de Apelaciones de Patentes y Aduanas de EE. UU., según la cual el único inventor del microcircuito debe ser considerado ... ¡Robert Noyce! La Corte Suprema de los Estados Unidos confirmó esta decisión.

Sin embargo, incluso antes del veredicto judicial, en 1966, las empresas acordaron reconocerse mutuamente los mismos derechos sobre el circuito integrado, y ambos inventores, Kilby y Noyce, recibieron los mismos premios más importantes de las comunidades científica y de ingeniería de EE. UU.: la Medalla Nacional de Ciencias y la Medalla Nacional de Tecnología.

Pero hubo otros que, mucho antes que Kilby y Noyce, formularon el principio de diseño e incluso patentaron el circuito integrado. El ingeniero alemán Werner Jacobi, en su patente de 1949, dibuja un diseño de circuito de 5 transistores sobre un sustrato común. El 7 de mayo de 1952, el ingeniero de radio inglés Jeffrey Dummer describió el principio de integrar componentes de circuitos en una sola unidad en su discurso público en un simposio sobre componentes electrónicos en Washington (Jack Kilby, por cierto, también estuvo presente en este simposio); en 1957, presentó un prototipo funcional del primer flip-flop integrado de 4 transistores del mundo. Los especialistas del departamento militar de Inglaterra no entendieron la novedad y no apreciaron su potencial. Las obras estaban cerradas. Posteriormente, en su tierra natal, Dummer fue llamado el "profeta del circuito integrado", fue invitado a participar en muchos proyectos nacionales e internacionales para el desarrollo de tecnologías electrónicas.

En Estados Unidos, en octubre del mismo año, Bernard Oliver presentó una solicitud de patente, donde describía un método para fabricar un bloque monolítico de tres transistores planos. El 21 de mayo de 1953, el ingeniero Harvick Johnson presentó una solicitud para varias formas de formar una variedad de componentes de circuitos electrónicos en un solo chip. Es curioso que una de las opciones propuestas por Johnson fuera implementada y patentada de forma independiente por Jack Kilby 6 años después. ¡Impresionante!

Biografías detalladas de todos los inventores del circuito integrado, descripciones de eventos y circunstancias de los grandes, no tengo miedo de la palabra, los inventos de hoy pueden ser encontrados fácilmente por cualquiera: todo esto está en la Web. Yo, en el cumpleaños del microcircuito, me gustaría “dar la palabra” a los tres: Jeffrey Dummer, Jack Kilby y Robert Noyce. En varios momentos de una entrevista compartieron sus recuerdos “cómo fue”, sus pensamientos y experiencias. Elegí algunas afirmaciones que me parecieron interesantes...

Geoffrey Dummer:
“Con el advenimiento del transistor y el trabajo sobre semiconductores en general, hoy parece posible plantear la cuestión de crear equipos electrónicos en forma de un bloque sólido sin cables de conexión. Este bloque puede consistir en capas de materiales aislantes, conductores, rectificadores y amplificadores de señal. Se pueden configurar las funciones electrónicas de los componentes y conectarlos correctamente cortando partes de las capas individuales”.
“En uno de mis libros expliqué la razón de mi fracaso por estar muy cansado de interminables guerras burocráticas, pero quizás esto no sea lo único. El caso es que nadie quería correr riesgos. El Departamento de Guerra no celebrará un contrato por un dispositivo que no haya sido llevado a un diseño industrial. Algunos desarrolladores no querían tomar un caso desconocido para ellos. Esta es una situación del huevo y la gallina. Los estadounidenses son aventureros financieros, y en este país (es decir, Inglaterra. - Yu. R.) todo va demasiado lento”.

Jack Kilby:
“Después de que el transistor apareciera en escena, hubo un interés renovado en lo que hace algún tiempo se denominó “miniaturización”. Nunca fue un fin en sí mismo, pero para una gran cantidad de aplicaciones, parecía muy conveniente reunir más componentes en un solo lugar y empacarlos de manera más apretada. Y luego está la Armada que inició un proyecto sobre fusibles de proximidad. Realmente necesitaban un dispositivo donde todos los componentes electrónicos estuvieran ensamblados en una placa de una pulgada cuadrada, nada más. Ya habían gastado una buena cantidad de dinero, pero nunca consiguieron lo que querían... El transistor resolvió todos los problemas. En general, entonces y ahora, si tiene un producto nuevo y es de interés para los militares, o puede organizarlo de tal manera que sea de interés para los militares, entonces, como regla general, trabajará sin problemas, porque tendrás financiación. Era cierto en aquellos tiempos lejanos, es cierto ahora”.

“El motivo principal para trabajar en el circuito integrado fue reducir el costo de fabricación de los equipos. Es cierto que en ese momento realmente no imaginé la escala de la posible reducción del precio y cuánto expandiría el factor de bajo costo el campo de aplicación de la electrónica en áreas completamente diferentes. En 1958, un transistor de silicio, que tampoco se vendió muy bien, costaba alrededor de $10. Hoy, $10 pueden comprar más de 100 millones de transistores. No podría haber previsto esto. Y estoy seguro de que nadie imaginó la posibilidad de esto.

“Comenzamos a desarrollar la primera microcalculadora (en la foto) para expandir el mercado de circuitos integrados: el mercado masivo es importante para ellos. Vendimos las primeras calculadoras a $500, hoy se venden a $4-5 y se han convertido en un producto desechable. Se trata de la cuestión de la reducción de costes.

“¿Es la invención del circuito integrado mi mayor logro en la vida? ¡Ay, definitivamente!...”

Roberto Noyce:
“En Fairchild, comenzamos a trabajar en un proyecto de ingeniería que los militares llamaron “ingeniería molecular”. Fue financiado por la Fuerza Aérea. Se suponía que íbamos a crear algún tipo de estructura construida a partir de construcciones molécula sobre molécula o incluso átomo sobre átomo. Y tal estructura debería realizar las funciones de un dispositivo electrónico. No era exactamente nuestro perfil, porque la fuerza de la industria electrónica siempre ha sido sintetizar algo a partir de elementos simples, y no tratar de inventar un elemento complejo. Se crean elementos de circuitos simples: condensadores, resistencias, elementos amplificadores, diodos, etc., y luego se sintetiza la función requerida a partir de ellos. En general, algo salió mal con la ingeniería molecular”.

“Usted pregunta si fue principalmente una decisión de marketing entrar en circuitos integrados. Yo creo que no. Creo que la mayoría de los logros de este tipo no fueron predichos por los especialistas en marketing y no fueron preparados conscientemente por ellos. Más bien surgieron de la lógica. progreso tecnico. Ese tiempo podría describirse de la siguiente manera: “Ahora podemos hacer esto. ¿Por qué no tratas de venderlo?". Y hoy viene alguien de marketing y dice: "Si tuviéramos esto, entonces podríamos venderlo". ¿Puedes sentir dónde está la diferencia? En el caso del circuito integrado, lo más emocionante fue la sensación de que había una necesidad de este dispositivo. Todos tienen. Para militares, para civiles... Ya ves, ¡para todos!