Integroidun levyn luomisen historia. Sarja mikropiirejä. Mikropiirien ja testipiirien toiminnallinen ohjaus

Johdanto

Ensimmäisten tietokoneiden ilmestymisen jälkeen ohjelmistokehittäjät ovat haaveilleet laitteistosta, joka on suunniteltu ratkaisemaan juuri heidän ongelmansa. Siksi ajatus erityisten integroitujen piirien luomisesta, jotka voidaan räätälöidä tehokkaasti suorittamaan tietty tehtävä, on ollut esillä jo jonkin aikaa. Tässä on kaksi kehityspolkua:

• Ns. erikoistuneiden räätälöityjen integroitujen piirien (ASIC - Application Specific Integrated Circuit) käyttö. Kuten nimestä voi päätellä, tällaiset sirut ovat valmistajien valmistamia laitteisto räätälöity tietyn tehtävän tai tehtävien tehokkaaseen suorittamiseen. Niissä ei ole perinteisten mikropiirien monipuolisuutta, mutta ne ratkaisevat niille osoitetut tehtävät monta kertaa nopeammin, joskus suuruusluokittain.
• Uudelleenkonfiguroitavissa olevien mikropiirien luominen. Ideana on, että tällaiset sirut saapuvat kehittäjälle tai ohjelmiston käyttäjälle ohjelmoimattomassa tilassa ja hän voi toteuttaa niille itselleen parhaiten sopivan arkkitehtuurin. Katsotaanpa tarkemmin niiden muodostumisprosessia.

Ajan myötä ilmestyi suuri määrä erilaisia ​​siruja, joilla oli uudelleenkonfiguroitava arkkitehtuuri (kuva 1).

Kuva 1 Erilaisia ​​siruja, joissa on uudelleenkonfiguroitava arkkitehtuuri

Markkinoilla oli pitkään vain PLD (Programmable Logic Device) -laitteita. Tähän luokkaan kuuluvat laitteet, jotka toteuttavat osoitettujen ongelmien ratkaisemiseen tarvittavat toiminnot täydellisen disjunktiivin muodossa normaali muoto(täydellinen DNF). Ensimmäiset vuonna 1970 ilmestyivät EEPROM-sirut, jotka kuuluvat nimenomaan PLD-laitteiden luokkaan. Jokaisessa piirissä oli kiinteä JA-logiikkafunktioiden joukko, joka oli kytketty ohjelmoitaviin TAI-logiikkatoimintoihin. Ajatellaan esimerkiksi PROM:ia, jossa on 3 tuloa (a, b ja c) ja 3 lähtöä (w, x ja y) (kuva 2).

Riisi. 2. PROM-siru

Ennalta määritettyä AND-taulukkoa käyttämällä toteutetaan kaikki mahdolliset konjunktiot syötemuuttujien yli, joita voidaan sitten mielivaltaisesti yhdistää OR-elementeillä. Siten lähdössä voit toteuttaa minkä tahansa kolmen muuttujan funktion täydellisen DNF:n muodossa. Jos esimerkiksi ohjelmoit ne TAI-elementit, jotka on ympyröity punaisella kuvassa 2, tulosteet tuottavat funktiot w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Alun perin PROM-sirut oli tarkoitettu tallentamaan ohjelmakäskyjä ja vakioarvoja, ts. suorittaa tietokoneen muistitoimintoja. Kehittäjät käyttävät niitä kuitenkin myös yksinkertaisten logiikkatoimintojen toteuttamiseen. Itse asiassa sirun PROM:ää voidaan käyttää minkä tahansa loogisen lohkon toteuttamiseen, jos siinä on pieni määrä tuloja. Tämä ehto johtuu siitä, että EEPROM-mikropiireissä JA-elementtien matriisi on tiukasti määritelty - siinä on toteutettu kaikki mahdolliset konjunktiot tuloista, eli AND-elementtien lukumäärä on 2 * 2 n, missä n on tulojen määrä. On selvää, että luvun n kasvaessa taulukon koko kasvaa hyvin nopeasti.

Seuraavaksi vuonna 1975 ilmestyivät niin sanotut ohjelmoitavat logiikkataulukot (PLM). Ne ovat jatkoa mikropiirien PROM-idealle - PLM:t koostuvat myös AND- ja OR-matriiseista, mutta toisin kuin PROM:t, molemmat taulukot ovat ohjelmoitavia. Tämä tarjoaa suuremman joustavuuden tällaisille siruille, mutta ne eivät ole koskaan olleet yleisiä, koska signaalien kulkeminen ohjelmoitavien yhteyksien kautta kestää paljon kauemmin kuin ennalta määritettyjen vastineidensa kautta.

PLM:ien luontaisen nopeusongelman ratkaisemiseksi 1970-luvun lopulla ilmestyi toinen laiteluokka, jota kutsutaan ohjelmoitavaksi taulukkologiikaksi (PAL). PAL-sirujen idean jatkokehitys oli GAL (Generic Array Logic) -laitteiden ilmestyminen - monimutkaisempia PAL-lajikkeita käyttämällä CMOS-transistoreita. Tässä käytetty idea on täysin päinvastainen kuin PROM-sirujen idea - ohjelmoitava JA-elementtien ryhmä on kytketty ennalta määritettyyn OR-elementtien matriisiin (kuva 3).

Riisi. 3. Ohjelmoimaton PAL-laite

Tämä asettaa rajoituksia toimivuudelle, mutta tällaiset laitteet vaativat huomattavasti pienempiä ryhmiä kuin EPROM-siruissa.

Looginen jatko yksinkertaisille PLD:ille oli ns. kompleksisten PLD:ien syntyminen, jotka koostuvat useista yksinkertaisten PLD:iden lohkoista (yleensä PAL-laitteita käytetään yksinkertaisina PLD:inä), joita yhdistää ohjelmoitava kytkentämatriisi. Itse PLD-lohkojen lisäksi oli mahdollista ohjelmoida myös niiden väliset yhteydet tällä kytkinmatriisilla. Ensimmäiset monimutkaiset PLD:t ilmestyivät 1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa, mutta tämän alueen tärkein kehitys tapahtui vuonna 1984, kun Altera esitteli monimutkaisen PLD:n, joka perustuu CMOS- ja EPROM-tekniikoiden yhdistelmään.

FPGA:n tulo

1980-luvun alussa digitaalisessa ASIC-ympäristössä avautui kuilu päälaitteiden välillä. Toisaalta oli olemassa PLD:itä, jotka voidaan ohjelmoida jokaiseen tehtävään ja jotka ovat melko helppoja valmistaa, mutta niillä ei voi toteuttaa monimutkaisia ​​toimintoja. Toisaalta on olemassa ASIC-kortteja, jotka voivat toteuttaa erittäin monimutkaisia ​​toimintoja, mutta joilla on tiukasti kiinteä arkkitehtuuri ja jotka ovat aikaa vieviä ja kalliita valmistaa. Tarvittiin välilinkki, ja FPGA-laitteista (Field Programmable Gate Arrays) tuli sellainen linkki.

FPGA:t, kuten PLD:t, ovat ohjelmoitavia laitteita. Suurin perustavanlaatuinen ero FPGA:n ja PLD:n välillä on, että FPGA:n toiminnot toteutetaan ei DNF:n avulla, vaan ohjelmoitavien hakutaulukoiden (LUT) avulla. Näissä taulukoissa funktioarvot määritellään totuustaulukolla, josta valitaan haluttu tulos multiplekserin avulla (kuva 4):

Riisi. 4. Kirjeenvaihtotaulukko

Jokainen FPGA-laite koostuu ohjelmoitavista logiikkalohkoista (Configurable Logic Blocks - CLB:t), jotka on yhdistetty toisiinsa myös ohjelmoitavilla yhteyksillä. Jokainen tällainen lohko on tarkoitettu tietyn toiminnon tai sen osan ohjelmoimiseen, mutta sitä voidaan käyttää muihin tarkoituksiin, esimerkiksi muistina.

Ensimmäisissä FPGA-laitteissa, jotka kehitettiin 80-luvun puolivälissä, logiikkalohko oli hyvin yksinkertainen ja sisälsi yhden 3-tuloisen LUT:n, yhden flip-flopin ja pienen määrän apuelementtejä. Nykyaikaiset FPGA-laitteet ovat paljon monimutkaisempia: jokainen CLB-lohko koostuu 1-4 "slicestä", joista jokainen sisältää useita LUT-taulukoita (yleensä 6-tuloisia), useita triggereitä ja suuren määrän palveluelementtejä. Tässä on esimerkki modernista "viipaleesta":

Riisi. 5. Nykyaikaisen "leikkauksen" laite

Johtopäätös

Koska PLD-laitteet eivät voi toteuttaa monimutkaisia ​​toimintoja, niitä käytetään edelleen yksinkertaisten toimintojen toteuttamiseen kannettavat laitteet ja viestintä, kun taas FPGA-laitteet vaihtelevat 1000 portin koosta (ensimmäinen FPGA kehitettiin vuonna 1985) Tämä hetki ylitti 10 miljoonan portin rajan (Virtex-6 perhe). Ne kehittävät aktiivisesti ja korvaavat jo ASIC-siruja, mikä mahdollistaa useiden erittäin monimutkaisten toimintojen toteuttamisen menettämättä kykyä ohjelmoida uudelleen.

Nyt jopa enemmän tai vähemmän edistynyt Kännykät ei tule toimeen ilman mikroprosessoria, puhumattakaan tableteista, kannettavista ja pöytätietokoneista henkilökohtaiset tietokoneet. Mikä on mikroprosessori ja miten sen luomishistoria kehittyi? Selvästi sanottuna mikroprosessori on monimutkaisempi ja monikäyttöisempi integroitu piiri.

Mikropiirin (integroidun piirin) historia alkaa vuodesta 1958 lähtien, kun amerikkalaisen Texas Instrumentsin työntekijä Jack Kilby keksi tietyn puolijohdelaitteen, joka sisälsi useita transistoreita yhdessä kotelossa ja jotka on yhdistetty johtimilla. Ensimmäinen mikropiiri - mikroprosessorin esi-isä - sisälsi vain 6 transistoria ja oli ohut germaniumlevy, johon oli kiinnitetty kullasta tehtyjä raitoja. Kaikki tämä sijaitsi lasisubstraatilla. Vertailun vuoksi puolijohdeelementtejä on nykyään yksiköitä ja jopa kymmeniä miljoonia.

Vuoteen 1970 mennessä varsin monet valmistajat osallistuivat eri kapasiteetin ja eri toiminnallisuuksien integroitujen piirien kehittämiseen ja luomiseen. Mutta tätä vuotta voidaan pitää ensimmäisen mikroprosessorin syntymäpäivänä. Intel loi tänä vuonna muistisirun, jonka kapasiteetti on vain 1 kbit - nykyaikaisille prosessoreille mitätön, mutta uskomattoman suuri tuohon aikaan. Tuolloin tämä oli valtava saavutus - muistisiru pystyi tallentamaan jopa 128 tavua tietoa - paljon enemmän kuin vastaavat analogit. Lisäksi suunnilleen samaan aikaan japanilainen laskimien valmistaja Busicom tilasi samat Intel 12 -mikropiirit eri toiminnallisilta alueilta. Intelin asiantuntijat onnistuivat toteuttamaan kaikki 12 toiminnallista aluetta yhdessä sirussa. Lisäksi luotu mikropiiri osoittautui monikäyttöiseksi, koska sen avulla oli mahdollista muuttaa sen toimintoja ohjelmallisesti muuttamatta fyysistä rakennetta. Mikropiiri suoritti tiettyjä toimintoja riippuen sen ohjausnastoihin lähetetyistä komennoista.

Vuoden sisällä vuonna 1971 Intel julkaisee ensimmäisen 4-bittisen mikroprosessorin, koodinimeltään 4004. Verrattuna ensimmäiseen 6 transistorin mikropiiriin, se sisälsi jopa 2,3 tuhatta puolijohdeelementtiä ja suoritti 60 tuhatta operaatiota sekunnissa. Tuolloin tämä oli valtava läpimurto mikroelektroniikan alalla. 4-bittinen tarkoitti, että 4004 pystyi käsittelemään 4-bittistä dataa kerralla. Kahden vuoden päästä vuonna 1973 Yritys valmistaa 8-bittistä prosessoria 8008, joka jo toimi 8-bittisen tiedon kanssa. Alku vuodesta 1976 lähtien, yritys alkaa kehittää 16-bittistä versiota 8086-mikroprosessorista. Häntä alettiin käyttää ensimmäisissä IBM:n henkilökohtaisissa tietokoneissa ja itse asiassa hän loi yhden rakennuspalikoista

Analogisia ja digitaalisia mikropiirejä valmistetaan sarjassa. Sarja on ryhmä mikropiirejä, joilla on yksi suunnittelu ja tekninen suunnittelu ja jotka on tarkoitettu yhteiskäyttöön. Saman sarjan mikropiireillä on pääsääntöisesti samat virtalähteen jännitteet ja ne on sovitettu tulo- ja lähtöresistanssien ja signaalitasojen suhteen.

1. Asunnot

Mikropiirejä on saatavana kahdessa suunnitteluvaihtoehdossa - pakattuna ja koteloimattomana.

Mikropiirikotelo on tukijärjestelmä ja osa rakennetta, joka on suunniteltu suojaamaan ulkoisilta vaikutuksilta ja liittämään sähköisesti ulkoisiin piireihin nastojen kautta. Kotelot on standardoitu valmiiden tuotteiden valmistustekniikan yksinkertaistamiseksi.

Pakkaukseton mikropiiri on puolijohdekide, joka on tarkoitettu asennettavaksi hybridi-mikropiiriin tai mikrokokoonpanoon (suora asennus piirilevylle on mahdollista).

1. Tarkkoja nimiä

Intel tuotti ensimmäisenä mikroprosessorin (englanniksi mikroprosessorin) toiminnot suorittavan sirun - Intel 4004. IBM julkaisi kuuluisat henkilökohtaiset tietokoneensa paranneltuihin mikroprosessoreihin 8088 ja 8086.

Mikroprosessori muodostaa tietokoneen ytimen, lisätoiminnot, kuten viestintä oheislaitteiden kanssa, suoritettiin käyttämällä erityisesti suunniteltuja piirisarjoja (piirisarja). Ensimmäisten tietokoneiden mikropiirien määrä sarjoissa oli kymmeniä ja satoja tuumaa nykyaikaiset järjestelmät Tämä on yhden, kahden tai kolmen mikropiirin sarja. Viime aikoina on ollut taipumus siirtää piirisarjan toimintoja (muistiohjain, PSI Express -väyläohjain) vähitellen prosessorille.

Mikroprosessoreita, joissa on sisäänrakennettu RAM ja ROM, muisti- ja I/O-ohjaimet ja muut lisätoiminnot, kutsutaan mikrokontrollereiksi.

1. Oikeudellinen suoja

Venäjän lainsäädäntö tarjoaa laillisen suojan integroitujen piirien topologioille. Topologia integroitu virtapiiri on integroidun piirin elementtijoukon ja niiden välisten yhteyksien tilageometrinen järjestely, joka on tallennettu materiaalille (Venäjän federaation siviililain 1448 artikla).

Topologian yksinoikeus on voimassa kymmenen vuotta. Tänä aikana tekijänoikeuksien haltija voi oman harkintansa mukaan rekisteröidä topologian liittovaltion henkisen omaisuuden, patenttien ja tavaramerkkien palvelukseen.

1. Luomisen historia

7. toukokuuta 1952 brittiläinen radioinsinööri Geoffrey Dummer ehdotti ensimmäisen kerran ajatusta useiden standardien elektronisten komponenttien integroimisesta monoliittiseen puolijohdesiruun, ja vuotta myöhemmin Harwick Johnson jätti ensimmäisen patenttihakemuksen integroidun piirin prototyypistä (IC). . Näiden ehdotusten toteuttaminen ei näinä vuosina voinut toteutua tekniikan riittämättömän kehityksen vuoksi.

Vuoden 1958 lopussa ja vuoden 1959 alkupuoliskolla puolijohdeteollisuudessa tapahtui läpimurto. Kolme miestä, jotka edustivat kolmea yksityistä amerikkalaista yritystä, ratkaisivat kolme perusongelmaa, jotka estivät integroitujen piirien luomisen. Jack Kilby Texas Instrumentsista patentoi integraatioperiaatteen, loi ensimmäiset, epätäydelliset, IC:n prototyypit ja toi ne massatuotantoon. Kurt Legowec Sprague Electric Companysta keksi menetelmän yhdelle puolijohdesirulle muodostettujen komponenttien sähköiseksi eristämiseksi (p-n liitoseristys). Robert Noyce Fairchild Semiconductorista keksi menetelmän IC-komponenttien sähköiseen yhdistämiseen (alumiinin metallointi) ja ehdotti parannettua versiota komponenttien eristyksestä, joka perustuu Jean Ernyn uusimpaan tasotekniikkaan. 27. syyskuuta 1960 Jay Lastin ryhmä loi ensimmäisen toimivan puolijohde IP perustuu Noycen ja Ernien ideoihin. Texas Instruments, joka omisti patentin Kilbyn keksinnölle, käynnisti patenttisodan kilpailijoitaan vastaan, joka päättyi vuonna 1966 sovittelusopimukseen ristiinlisensointitekniikoista.

Mainitun sarjan varhaiset logiikkapiirit rakennettiin kirjaimellisesti standardi komponentit, joiden koot ja kokoonpanot määriteltiin teknologisessa prosessissa. Piirisuunnittelijat, jotka suunnittelivat tietyn perheen logiikkapiirit, toimivat samoilla standardidiodeilla ja transistoreilla. Vuosina 1961-1962 johtava Sylvania-kehittäjä Tom Longo mursi suunnitteluparadigman käyttämällä sitä ensimmäistä kertaa yhdessä IC:ssä. eri transistorien kokoonpanot riippuen niiden toiminnoista piirissä. Vuoden 1962 lopulla Sylvania julkaisi Longon kehittämän ensimmäisen transistori-transistorilogiikan (TTL) -perheen – historiallisesti ensimmäisen integroidun logiikan tyypin, joka onnistui saamaan pitkän jalansijan markkinoilla. Analogisissa piireissä tämän tason läpimurron teki vuosina 1964-1965 Fairchild-operaatiovahvistimen suunnittelija Bob Widlar.

Neuvostoliiton ensimmäinen integroitu puolijohdepiiri luotiin 1960-luvun alussa NII-35:ssä (silloin uudelleen nimeltään Pulsar Research Institute) kehitetyn tasotekniikan pohjalta, ja se on myöhemmin siirretty NIIME:hen (Mikron). Ensimmäisen kotimaisen piiintegroidun piirin luominen keskittyi integroitujen piipiirien TC-100-sarjan (37 elementtiä - vastaa amerikkalaisen analogin flip-flopin piirin monimutkaisuutta) kehittämiseen ja tuotantoon sotilaallisella hyväksynnällä. Texas Instrumentsin SN-51-sarjan IC:t). Prototyyppinäytteet ja tuotantonäytteet piin integroitujen piirien kopiointia varten hankittiin Yhdysvalloista. Työ suoritettiin NII-35:ssä (johtaja Trutko) ja Fryazino Semiconductor Plantissa (johtaja Kolmogorov) puolustusmääräyksen saamiseksi käytettäväksi ballististen ohjusten ohjausjärjestelmän autonomisessa korkeusmittarissa. Kehitys sisälsi kuusi standardia integroitua piitasopiiriä TS-100-sarjasta, ja pilotituotannon järjestämisen kanssa kesti kolme vuotta NII-35:ssä (1962-1965). Kesti vielä kaksi vuotta kehittää tehdastuotantoa sotilaallisella hyväksynnällä Fryazinossa (1967)

Ensimmäiset integroidut piirit

Omistettu virallisen päivämäärän 50-vuotispäivälle

B. Malaševitš

Syyskuun 12. päivänä 1958 Texas Instrumentsin (TI) työntekijä Jack Kilby esitteli johdolle kolmea outoa laitetta – laitteita, jotka tehtiin kahdesta 11,1 x 1,6 mm:n piipalasta, jotka oli liimattu yhteen mehiläisvahan kanssa lasialustalle (kuva 1). Nämä olivat kolmiulotteisia malleja - generaattorin integroidun piirin (IC) prototyyppejä, jotka osoittivat mahdollisuuden valmistaa kaikki piirielementit yhdestä puolijohdemateriaalista. Tätä päivämäärää vietetään elektroniikan historiassa integroitujen piirien syntymäpäivänä. Mutta onko se?

Riisi. 1. J. Kilbyn ensimmäisen IP:n ulkoasu. Kuva sivustolta http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

1950-luvun loppuun mennessä elektronisten laitteiden (REA) kokoamistekniikka erillisistä elementeistä oli käyttänyt kykynsä loppuun. Maailma oli joutunut akuuttiin REA-kriisiin, ja radikaaleja toimia tarvittiin. Siihen mennessä sekä puolijohdelaitteiden että paksu- ja ohutkalvokeraamisten piirilevyjen tuotantoon integroidut teknologiat olivat jo teollisesti hallittuja USA:ssa ja Neuvostoliitossa, eli edellytykset kriisin voittamiseksi olivat kypsiä luomalla monielementti. vakiotuotteet - integroidut piirit.

Integroidut piirit (sirut, IC:t) sisältävät vaihtelevan monimutkaisuuden elektronisia laitteita, joissa kaikki samanlaiset elementit valmistetaan samanaikaisesti yhdessä teknisessä syklissä, ts. integroidun teknologian avulla. Toisin kuin painetut piirilevyt (joissa kaikki liitäntäjohtimet valmistetaan samanaikaisesti yhdellä jaksolla integroitua tekniikkaa käyttäen), vastukset, kondensaattorit ja (puolijohdepiirilevyissä) diodit ja transistorit muodostetaan samalla tavalla IC:issä. Lisäksi useita IC:itä valmistetaan samanaikaisesti, kymmenistä tuhansiin.

Teollisuus kehittää ja valmistaa IC:itä sarjoina, joissa yhdistetään useita mikropiirejä erilaisiin toiminnallisiin tarkoituksiin ja jotka on tarkoitettu yhteiskäyttöön elektroniikkalaitteissa. Sarjan IC:illä on vakiomuotoilu ja yhtenäinen sähköisten ja muiden ominaisuuksien järjestelmä. Valmistaja toimittaa IC:itä eri kuluttajille itsenäisinä kaupallisina tuotteina, jotka täyttävät tietyn standardoidun järjestelmän. Mikropiirit eivät ole korjattavissa; elektroniikkalaitteita korjattaessa vialliset piirit vaihdetaan.

IC:itä on kaksi pääryhmää: hybridi ja puolijohde.

Hybridi-IC:issä (HIC) kaikki johtimet ja passiiviset elementit muodostetaan mikropiirisubstraatin (yleensä keraamisen) pinnalle integroidun teknologian avulla. Aktiiviset elementit paketittomien diodien, transistorien ja puolijohde-IC-kiteiden muodossa asennetaan alustalle yksitellen, manuaalisesti tai automaattisesti.

Puolijohde-IC:issä yhdistävät, passiiviset ja aktiiviset elementit muodostetaan yhdessä teknisessä syklissä puolijohdemateriaalin (yleensä piin) pinnalle tunkeutumalla osittain sen tilavuuteen diffuusiomenetelmillä. Samaan aikaan yhdelle puolijohdekiekolle valmistetaan laitteen monimutkaisuudesta ja sen kiteen ja kiekon koosta riippuen useista kymmenistä useisiin tuhansiin IC:itä. Teollisuus tuottaa puolijohde-IC:itä vakiopakkauksissa, yksittäisten sirujen tai jakamattomien kiekkojen muodossa.

Hybridi- (GIS) ja puolijohdepiirien markkinoille tuominen tapahtui eri tavoin. GIS on mikromoduulien ja keraamisten levyjen asennusteknologian kehitystyön tuote. Siksi ne ilmestyivät huomaamatta; GIS:llä ei ole yleisesti hyväksyttyä syntymäaikaa eikä yleisesti tunnustettua kirjoittajaa. Puolijohde-IC:t olivat luonnollinen ja väistämätön seuraus puolijohdeteknologian kehityksestä, mutta ne vaativat uusien ideoiden ja uuden teknologian luomista, joilla on omat syntymäaikansa ja omat tekijänsä. Ensimmäiset hybridi- ja puolijohdepiirit ilmestyivät Neuvostoliitossa ja Yhdysvalloissa lähes samanaikaisesti ja toisistaan ​​riippumatta.

Ensimmäiset hybridi-IC:t

Hybridi-IC:t sisältävät IC:t, joiden tuotannossa yhdistyvät passiivisten elementtien valmistustekniikka yksittäisiin (manuaaliseen tai automatisoituun) aktiivisten elementtien asennus- ja kokoonpanotekniikkaan.

Yhdysvaltalainen Centralab-yhtiö kehitti jo 1940-luvun lopulla paksukalvokeramiikkapohjaisten piirilevyjen valmistuksen perusperiaatteet, jotka sitten kehittelivät muut yritykset. Lähtökohtana oli piirilevyjen ja keraamisten kondensaattoreiden valmistustekniikka. Piirilevyistä otimme integroidun teknologian kytkentäjohtimien topologian muodostamiseen - silkkipainatuksen. Kondensaattoreista - substraattimateriaali (keramiikka, usein sitaali), samoin kuin tahnojen materiaalit ja lämpötekniikka niiden kiinnittämiseksi alustalle.

Ja 1950-luvun alussa RCA-yhtiö keksi ohutkalvoteknologian: ruiskuttamalla erilaisia ​​materiaaleja tyhjiössä ja kerrostamalla ne maskin kautta erityisille substraateille, he oppivat valmistamaan samanaikaisesti useita miniatyyrikalvoja, jotka yhdistävät johtimia, vastuksia ja kondensaattoreita yhdelle. keraaminen alusta.

Paksukalvoteknologiaan verrattuna ohutkalvotekniikka tarjosi mahdollisuuden pienempikokoisten topologiaelementtien tarkempaan valmistukseen, mutta vaati monimutkaisempia ja kalliimpia laitteita. Laitteita, jotka on valmistettu keraamisille piirilevyille paksukalvo- tai ohutkalvoteknologialla, kutsutaan "hybridipiireiksi". Hybridipiirejä valmistettiin oman tuotantonsa tuotteiden komponentteina; jokaisella valmistajalla oli oma suunnittelunsa, mitat ja toimintatarkoituksensa; ne eivät päässeet vapaille markkinoille, joten niitä tunnetaan vähän.

Hybridipiirit ovat myös tunkeutuneet mikromoduuleihin. Aluksi he käyttivät erillisiä passiivisia ja aktiivisia miniatyyrielementtejä, joita yhdisti perinteinen painettu johdotus. Kokoonpanotekniikka oli monimutkaista, ja siinä oli valtava osuus käsityöstä. Siksi mikromoduulit olivat erittäin kalliita, ja niiden käyttö rajoittui aluksella oleviin laitteisiin. Sitten käytettiin paksukalvoisia minikeraamisia huiveja. Seuraavaksi vastuksia alettiin valmistaa paksukalvotekniikalla. Mutta käytetyt diodit ja transistorit olivat edelleen erillisiä, yksittäin pakattuina.

Mikromoduulista tuli hybridi-integroitu piiri sillä hetkellä, kun siinä käytettiin pakkaamattomia transistoreita ja diodeja ja rakenne suljettiin yhteiseen koteloon. Tämä mahdollisti merkittävästi niiden kokoonpanoprosessin automatisoinnin, hintojen jyrkän alentamisen ja soveltamisalan laajentamisen. Passiivisten elementtien muodostusmenetelmän perusteella erotetaan paksukalvo- ja ohutkalvo-GIS.

Ensimmäinen GIS Neuvostoliitossa

Ensimmäiset GIS-moduulit ("Kvant"-tyyppiset moduulit, myöhemmin nimetty IS-sarjaksi 116) Neuvostoliitossa kehitettiin vuonna 1963 NIIRE:ssä (myöhemmin NPO Leninets, Leningrad) ja samana vuonna sen koetehdas aloitti sarjatuotannon. Näissä GIS:issä käytettiin aktiivisina elementteinä puolijohde-IC:itä "R12-2", jotka Riga Semiconductor Devices Plant kehitti vuonna 1962. Näiden IC:iden ja niiden ominaisuuksien luomishistorian erottamattomuuden vuoksi tarkastelemme niitä yhdessä P12-2:lle omistetussa osiossa.

Kvant-moduulit olivat epäilemättä ensimmäiset GIS-maailmassa kaksitasoiset integraatiot - ne käyttivät puolijohde-IC:itä erillisten pakattujen transistoreiden sijaan aktiivisina elementteinä. Todennäköisesti ne olivat myös ensimmäisiä GIS-maailmassa – rakenteellisesti ja toiminnallisesti täydellisiä monielementtituotteita, jotka toimitetaan kuluttajalle itsenäisenä kaupallisena tuotteena. Varhaisimmat tekijän tunnistamat ulkomaiset vastaavat tuotteet ovat alla kuvatut IBM Corporationin SLT-moduulit, mutta ne julkistettiin seuraavana vuonna 1964.

Ensimmäinen GIS Yhdysvalloissa

Paksukalvoisen GIS:n ilmestymisestä uuden IBM System /360 -tietokoneen pääelementtipohjaksi ilmoitti IBM ensimmäisen kerran vuonna 1964. Näyttää siltä, ​​että tämä oli ensimmäinen GIS:n käyttö Neuvostoliiton ulkopuolella, kirjoittaja ei löytänyt aikaisempia esimerkkejä. .

Jo tuolloin asiantuntijapiireissä tunnetut puolijohdepiirisarjat ”Micrologic” Fairchildilta ja ”SN-51” TI:ltä (puhumme niistä jäljempänä) olivat edelleen saavuttamattoman harvinaisia ​​ja kohtuuttoman kalliita kaupallisiin sovelluksiin, kuten putkien rakentamiseen. iso tietokone. Siksi IBM-yhtiö, joka otti pohjana litteän mikromoduulin suunnittelun, kehitti paksukalvo-GIS-sarjansa, joka julkistettiin yleisnimellä (toisin kuin "mikromodulit") - "SLT-moduulit" (Solid Logic Technology - kiinteä). logiikkatekniikka. Yleensä sana "kiinteä" käännetään venäjäksi "kiinteäksi", mikä on täysin epäloogista. Itse asiassa IBM otti käyttöön termin "SLT-moduulit" vastakohtana termille "mikromoduuli", ja sen pitäisi kuvastaa niiden eroa. Mutta molemmat moduulit ovat "kiinteitä", eli tämä käännös ei ole Sanalla "kiinteä" on muita merkityksiä - "kiinteä", "kokonainen", jotka onnistuneesti korostavat eroa "SLT-moduulien" ja "mikromoduulien" välillä - SLT-moduulit ovat jakamattomia, ei-korjattavissa, eli "kokonainen". Emme käyttäneet yleisesti hyväksyttyä käännöstä venäjäksi: Solid Logic Technology - kiinteän logiikan tekniikka).

SLT-moduuli oli puolen tuuman neliömäinen keraaminen paksukalvomikrolevy, jossa oli sisään painetut pystytapit. Sen pinnalle laitettiin silkkipainatuksella liitosjohtimet ja vastukset (toteutettavan laitteen kaavion mukaan) ja pakkaamattomat transistorit asennettiin. Kondensaattorit asennettiin tarvittaessa SLT-moduulin viereen laitekortille. Vaikka ulkoisesti lähes identtiset (mikromoduulit ovat hieman korkeampia, kuva 2.), SLT-moduulit erosivat litteistä mikromoduuleista suuremman elementtitiheyden, alhaisen virrankulutuksen, korkean suorituskyvyn ja korkean luotettavuuden suhteen. Lisäksi SLT-tekniikka oli melko helppo automatisoida, joten niitä pystyttiin valmistamaan valtavia määriä riittävän alhaisilla kustannuksilla käytettäväksi kaupallisissa laitteissa. Juuri tätä IBM tarvitsi. Yritys rakensi SLT-moduulien tuotantoa varten automatisoidun tehtaan East Fishkilliin lähellä New Yorkia, jota tuotettiin miljoonia kappaleita.

Riisi. 2. Neuvostoliiton mikromoduuli ja SLT-moduuli f. IBM. Valokuva STL sivustolta http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

IBM:n jälkeen muut yritykset alkoivat tuottaa GIS:ää, jolle GIS:stä tuli kaupallinen tuote. IBM:n litteiden mikromoduulien ja SLT-moduulien standardisuunnittelusta on tullut yksi hybridi-IC:iden standardeista.

Ensimmäiset puolijohdepiirit

1950-luvun loppuun mennessä teollisuudella oli kaikki mahdollisuudet tuottaa halpoja elektroniikkalaitteita. Mutta jos transistorit tai diodit tehtiin germaniumista ja piistä, niin vastukset ja kondensaattorit tehtiin muista materiaaleista. Monet uskoivat silloin, että hybridipiirejä luotaessa ei olisi ongelmia näiden erikseen valmistettujen elementtien kokoamisessa. Ja jos on mahdollista valmistaa kaikki vakiokokoiset ja -muotoiset elementit ja siten automatisoida kokoonpanoprosessi, laitteiden kustannukset pienenevät merkittävästi. Tällaisten päätelmien perusteella hybriditeknologian kannattajat pitivät sitä mikroelektroniikan yleisenä kehityssuuntana.

Mutta kaikki eivät jakaneet tätä mielipidettä. Tosiasia on, että jo tuolloin luodut mesa-transistorit ja erityisesti tasotransistorit sovitettiin ryhmäkäsittelyyn, jossa suoritettiin useita toimintoja useiden transistorien valmistamiseksi yhdelle alustalevylle. Toisin sanoen useita transistoreita valmistettiin yhdelle puolijohdekiekolle kerralla. Sitten levy leikattiin yksittäisiksi transistoreiksi, jotka sijoitettiin yksittäisiin tapauksiin. Ja sitten laitevalmistaja yhdisti transistorit yhdeksi painettu piirilevy. Jotkut ihmiset pitivät tätä lähestymistapaa naurettavana - miksi erottaa transistorit ja kytkeä ne sitten uudelleen. Onko mahdollista yhdistää ne välittömästi puolijohdekiekkoon? Päästä samalla eroon useista monimutkaisista ja kalliista toimenpiteistä! Nämä ihmiset keksivät puolijohdepiirit.

Idea on äärimmäisen yksinkertainen ja täysin ilmeinen. Mutta kuten usein tapahtuu, vasta sen jälkeen, kun joku ensin ilmoitti sen ja todisti sen. Hän osoitti, että pelkkä sen ilmoittaminen ei useinkaan riitä, kuten tässä tapauksessa. Ajatus IC:stä julkistettiin jo vuonna 1952, ennen kuin ryhmämenetelmät syntyivät puolijohdelaitteiden valmistukseen. Päällä vuosikokous Washingtonissa pidetyssä Britannian kuninkaallisen tutkatoimiston työntekijä Jeffrey Dummer esitteli raportin tutkalaitteiden komponenttien luotettavuudesta Washingtonissa. Raportissa hän antoi profeetallisen lausunnon: " Transistorin ja puolijohdetekniikan alalla tapahtuvan työn myötä on yleensä mahdollista kuvitella elektronisia laitteita kiinteän lohkon muodossa, joka ei sisällä kytkentäjohtoja. Yksikkö voi koostua kerroksista eristäviä, johtavia, tasaavia ja vahvistavia materiaaleja, joista tietyt alueet on leikattu pois, jotta ne voivat suorittaa suoraan sähköisiä toimintoja.. Mutta tämä ennuste jäi asiantuntijoiden huomaamatta. He muistivat sen vasta ensimmäisten puolijohdepiirien ilmestymisen jälkeen, toisin sanoen pitkään julkistetun idean käytännön todisteiden jälkeen. Jonkun täytyi ensimmäisenä keksiä ja toteuttaa puolijohde-IC-idea.

Kuten transistorin tapauksessa, yleisesti tunnustetuilla puolijohdepiirien luojilla oli enemmän tai vähemmän menestyneitä edeltäjiä. Dammer itse yritti toteuttaa ideaansa vuonna 1956, mutta epäonnistui. Vuonna 1953 RCA:n Harvick Johnson sai patentin yksisiruiselle oskillaattorille, ja vuonna 1958 yhdessä Torkel Wallmarkin kanssa julkaistiin "integroidun puolijohdelaitteen" käsite. Vuonna 1956 Bell Labsin työntekijä Ross tuotti binäärilaskuripiirin, joka perustuu n-p-n-p perusteella rakenteet yksittäisessä kiteessä. Vuonna 1957 Yasuro Taru japanilaisesta MITI-yrityksestä sai patentin erilaisten transistorien yhdistämiseksi yhdeksi kiteeksi. Mutta kaikki nämä ja muut vastaavat kehitystyöt olivat luonteeltaan yksityisiä, niitä ei tuotu tuotantoon eikä niistä tullut integroidun elektroniikan kehittämisen perustaa. Vain kolme hanketta vaikutti IP:n kehittämiseen teollisessa tuotannossa.

Onnekkaat olivat jo mainitut Jack Kilby Texas Instrumentsista (TI), Robert Noyce Fairchildistä (molemmat Yhdysvalloista) ja Juri Valentinovich Osokin Riga Semiconductor Device Plant (neuvostoliitto) suunnittelutoimistosta. Amerikkalaiset loivat kokeellisia näytteitä integroiduista piireistä: J. Kilby - IC-generaattorin prototyyppi (1958) ja sitten mesa-transistoreiden laukaisu (1961), R. Noyce - laukaisu käyttäen tasotekniikkaa (1961) ja Yu. Osokin – looginen IC "2NOT-OR" aloitti heti massatuotannon Saksassa (1962). Nämä yritykset aloittivat IP:n sarjatuotannon lähes samanaikaisesti, vuonna 1962.

Ensimmäiset puolijohdepiirit Yhdysvalloissa

IP:n kirjoittaja Jack Kilby. IS-sarja SN - 51"

Vuonna 1958 J. Kilby (pioneeri transistorien käytössä Kuulolaitteet) muutti Texas Instrumentsille. Uusi tulokas Kilby piirisuunnittelijana "heitettiin" parantamaan rakettien mikromodulaarista täyttöä luomalla vaihtoehto mikromoduuleille. Harkittiin mahdollisuutta koota lohkoja osista vakiomuotoinen, samanlainen kuin lelumallien kokoaminen LEGO-hahmoista. Kilbyä kiehtoi kuitenkin jokin muu. Ratkaiseva rooli oli "tuoreen ilmeen" vaikutuksella: ensinnäkin hän totesi heti, että mikromoduulit ovat umpikuja, ja toiseksi mesarakenteita ihaillen hän tuli ajatukseen, että piirin pitäisi (ja voi) olla toteutettu yhdestä materiaalista - puolijohteesta. Kilby tiesi Dummerin ideasta ja hänen epäonnistuneesta yrityksestään toteuttaa se vuonna 1956. Analyysin jälkeen hän ymmärsi epäonnistumisen syyn ja löysi tavan voittaa se. " Minun kunniani on, että otin tämän idean ja toteutin sen.”, J. Kilby sanoi myöhemmin Nobel-puheessaan.

Koska hän ei ollut vielä ansainnut oikeutta lähteä, hän työskenteli laboratoriossa häiritsemättä kaikkien lepääessä. 24. heinäkuuta 1958 Kilby muotoili konseptin laboratoriolehdessä nimeltä Monolithic Idea. Sen ydin oli, että ". ..piirielementit, kuten vastukset, kondensaattorit, hajautetut kondensaattorit ja transistorit voidaan integroida yhdeksi siruksi - edellyttäen, että ne on valmistettu samasta materiaalista... Flip-flop-piirisuunnittelussa kaikkien elementtien on oltava piitä, vastukset käyttävät piin tilavuusvastusta ja kondensaattorit - p-n-liitosten kapasitanssia". "Monoliitti-idea" kohtasi Texas Instrumentsin johdon alentuvan ja ironisen asenteen, joka vaati todisteita mahdollisuudesta valmistaa puolijohteesta transistoreita, vastuksia ja kondensaattoreita sekä sellaisista elementeistä kootun piirin toimivuudesta.

Syyskuussa 1958 Kilby toteutti ideansa - hän teki generaattorin kahdesta germaniumpalasta, joiden mitat olivat 11,1 x 1,6 mm, liimattu yhteen mehiläisvahan kanssa lasialustalle ja jotka sisälsivät kahdenlaisia ​​diffuusioalueita (kuva 1). Hän käytti näitä alueita ja olemassa olevia koskettimia generaattoripiirin luomiseen, yhdistäen elementit ohuilla kultalangoilla, joiden halkaisija on 100 mikronia lämpöpuristushitsauksella. Yhdeltä alueelta luotiin mesatransistori ja toiselta alueelta RC-piiri. Kolme koottua generaattoria esiteltiin yrityksen johdolle. Kun virta kytkettiin, ne alkoivat toimia 1,3 MHz taajuudella. Tämä tapahtui 12. syyskuuta 1958. Viikkoa myöhemmin Kilby teki vahvistimen samalla tavalla. Mutta nämä eivät olleet vielä integroituja rakenteita, ne olivat puolijohde-IC:iden kolmiulotteisia malleja, jotka osoittivat ajatuksen valmistaa kaikki piirielementit yhdestä materiaalista - puolijohteesta.

Riisi. 3. Liipaisimen tyyppi 502 J. Kilby. Kuva sivustolta http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Kilbyn ensimmäinen todella integroitu piiri, joka tehtiin yhdestä monoliittisesta germaniumista, oli kokeellinen Type 502 -liipaisupiiri (kuva 3). Se käytti sekä germaniumin tilavuusvastusta että p-n-liitoksen kapasitanssia. Sen esitys pidettiin maaliskuussa 1959. Pieni määrä tällaisia ​​IC:itä valmistettiin laboratorio-olosuhteissa ja myytiin pienelle piirille 450 dollarilla. IC sisälsi kuusi elementtiä: neljä mesa-transistoria ja kaksi vastusta, jotka oli sijoitettu halkaisijaltaan 1 cm:n piikiekolle. Mutta Kilbyn IC:ssä oli vakava haittapuoli - mesatransistorit, jotka mikroskooppisten "aktiivisten" pylväiden muodossa kohosivat muiden yläpuolelle. , "passiivinen" osa kristallia. Mesa-pylväiden yhdistäminen toisiinsa Kilby IS:ssä suoritettiin keittämällä ohuita kultalankoja - kaikkien vihaamaa "karvaista tekniikkaa". Kävi selväksi, että tällaisilla yhteenliitännöillä ei voida tehdä mikropiiriä, jossa on suuri määrä elementtejä - lankaverkko katkeaa tai kytkeytyy uudelleen. Ja germaniumia pidettiin jo tuolloin lupaamattomana materiaalina. Mitään läpimurtoa ei tapahtunut.

Tähän mennessä Fairchild oli kehittänyt tasomaisen piiteknologian. Kaiken tämän vuoksi Texas Instrumentsin täytyi jättää kaikki Kilbyn tekemä syrjään ja alkaa ilman Kilbyä kehittää sarja tasomaiseen piiteknologiaan perustuvia IC:itä. Lokakuussa 1961 yritys ilmoitti SN-51-tyyppisten IC-sarjan luomisesta, ja vuonna 1962 se aloitti massatuotannon ja -toimitukset Yhdysvaltain puolustusministeriön ja NASA:n edun mukaisesti.

IP Robert Noyce. IS-sarjaMicrologic”

Vuonna 1957 tasotransistorin keksijä W. Shockley jätti useista syistä kahdeksan nuoren insinöörin ryhmän, jotka halusivat yrittää toteuttaa omia ideoitaan. "The Eight Traitors", kuten Shockley kutsui heitä, joiden johtajat olivat R. Noyce ja G. Moore, perustivat yrityksen Fairchild Semiconductor ("kaunis lapsi"). Yritystä johti Robert Noyce, hän oli silloin 23-vuotias.

Vuoden 1958 lopussa fyysikko D. Horney, joka työskenteli Fairchild Semiconductorissa, kehitti tasoteknologiaa transistorien valmistukseen. Ja tšekkiläissyntyinen fyysikko Kurt Lehovec, joka työskenteli Sprague Electricissä, kehitti tekniikan käänteisesti kytketyn n-p-liitoksen käyttämiseksi komponenttien sähköiseen eristämiseen. Vuonna 1959 Robert Noyce, kuultuaan Kilbyn IC-suunnittelusta, päätti yrittää luoda integroidun piirin yhdistämällä Horneyn ja Lehovecin ehdottamat prosessit. Ja keskinäisten liitosten "karvaisen teknologian" sijasta Noyce ehdotti ohuen metallikerroksen valikoivaa kerrostamista piidioksidilla eristettyjen puolijohderakenteiden päälle yhdistämällä elementtien koskettimiin eristekerrokseen jätettyjen reikien kautta. Tämä mahdollisti aktiivisten elementtien "upottamisen" puolijohteen runkoon, eristäen ne piioksidilla ja sitten yhdistämällä nämä elementit ruiskutetuilla alumiini- tai kultaradoilla, jotka on luotu käyttämällä fotolitografia-, metallointi- ja syövytysprosesseja tuotteen valmistuksen viimeinen vaihe. Siten saatiin todella "monoliittinen" versio komponenttien yhdistämisestä yhdeksi piiriksi, ja uutta tekniikkaa kutsuttiin "tasomaiseksi". Mutta ensin ideaa piti testata.

Riisi. 4. R. Noycen kokeellinen laukaisu. Kuva sivustolta http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Riisi. 5. Kuva Micrologic IC:stä Life-lehdessä. Kuva sivustolta http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Elokuussa 1959 R. Noyce tilasi Joy Lastin kehittämään tasotekniikkaan perustuvan IC-version. Ensin Kilbyn tavoin he tekivät laukaisimen prototyypin useille piikiteille, joihin tehtiin 4 transistoria ja 5 vastusta. Sitten 26. toukokuuta 1960 valmistettiin ensimmäinen yksisiruinen liipaisin. Eristääksesi siinä olevat elementit kääntöpuoli Piikiekko syövytettiin syvillä urilla, jotka oli täytetty epoksihartsilla. 27. syyskuuta 1960 valmistettiin laukaisimen kolmas versio (kuva 4), jossa elementit eristettiin käänteisesti kytketyllä p-n-liitoksella.

Siihen asti Fairchild Semiconductor oli mukana vain transistoreissa; sillä ei ollut piirisuunnittelijoita puolijohdepiirien luomiseen. Siksi Robert Norman Sperry Gyroscopesta kutsuttiin piirisuunnittelijaksi. Norman tunsi vastus-transistorilogiikkaa, jonka yritys hänen ehdotuksestaan ​​valitsi tulevaisuuden Micrologic-sarjan IC-sarjan perustaksi, joka löysi ensimmäisen sovelluksensa Minuteman-raketin varusteissa. Maaliskuussa 1961 Fairchild julkisti tämän sarjan ensimmäisen kokeellisen IC:n (F-flip-flop, joka sisältää kuusi elementtiä: neljä bipolaaritransistoria ja kaksi vastusta, jotka on sijoitettu halkaisijaltaan 1 cm:n levylle) julkistamalla valokuvansa (kuva 5). ) lehdessä Elämä(päivätty 10. maaliskuuta 1961). Lokakuussa julkistettiin vielä viisi IP:tä. Ja vuoden 1962 alusta lähtien Fairchild aloitti IC:iden massatuotannon ja niiden toimituksen myös Yhdysvaltain puolustusministeriön ja NASA:n edun mukaisesti.

Kilby ja Noyce joutuivat kuuntelemaan paljon kritiikkiä innovaatioistaan. Uskottiin, että sopivien integroitujen piirien käytännön tuotto olisi hyvin pieni. On selvää, että sen tulisi olla pienempi kuin transistoreilla (koska se sisältää useita transistoreita), joille se ei silloin ollut suurempi kuin 15%. Toiseksi monet uskoivat, että integroiduissa piireissä käytettiin sopimattomia materiaaleja, koska vastukset ja kondensaattorit eivät tuolloin valmistettu puolijohteista. Kolmanneksi monet eivät voineet hyväksyä ajatusta IP:n korjaamattomuudesta. Heistä tuntui jumalanpilkkaalta heittää pois tuote, jossa vain yksi monista elementeistä oli epäonnistunut. Kaikki epäilykset hävisivät vähitellen, kun integroituja piirejä käytettiin menestyksekkäästi Yhdysvaltain armeija- ja avaruusohjelmissa.

Yksi Fairchild Semiconductorin perustajista, G. Moore, muotoili piimikroelektroniikan kehityksen peruslain, jonka mukaan transistorien määrä integroidussa piirikiteessä kaksinkertaistui joka vuosi. Tämä "Mooren laiksi" kutsuttu laki toimi melko selvästi ensimmäiset 15 vuotta (vuodesta 1959 alkaen), ja sitten tämä kaksinkertaistuminen tapahtui noin puolessatoista vuodessa.

Lisäksi IP-teollisuus Yhdysvalloissa alkoi kehittyä nopeaan tahtiin. Yhdysvalloissa alkoi lumivyörymäinen yksinomaan "tasomaiseen" suuntautuneiden yritysten syntyprosessi, joka joskus ylsi siihen pisteeseen, että tusinaa yritystä rekisteröitiin viikossa. Pyrkiessään veteraaneihin (W. Shockleyn ja R. Noycen yritykset) sekä Stanfordin yliopiston verokannustimien ja palvelujen ansiosta "uudet tulokkaat" ryhmittyivät pääasiassa Santa Claran laaksoon (Kalifornia). Siksi ei ole yllättävää, että vuonna 1971, toimittajan ja teknisten innovaatioiden popularisoijan Don Hoflerin kevyellä kädellä, romanttinen-teknologinen kuva "Piilaaksosta" tuli liikkeelle, ja siitä tuli ikuisesti synonyymi puolijohdeteknologian vallankumouksen Mekka. Muuten, sillä alueella on todella laakso, joka oli aiemmin kuuluisa lukuisista aprikoosi-, kirsikka- ja luumutarhoistaan, jolla oli ennen Shockley-yhtiön ilmestymistä toinen, miellyttävämpi nimi - Sydämen ilon laakso, valitettavasti nyt , melkein unohdettu.

Vuonna 1962 Yhdysvalloissa aloitettiin integroitujen piirien massatuotanto, vaikka niiden toimitusmäärä asiakkaille oli vain muutama tuhat. Vahvin kannustin instrumentti- ja elektroniikkateollisuuden kehittämiseen uudelle pohjalle oli raketti- ja avaruusteknologia. Yhdysvalloilla ei silloin ollut yhtä tehokkaita mannertenvälisiä ballistisia ohjuksia kuin Neuvostoliiton ohjuksilla, ja panoksen lisäämiseksi ne pakotettiin minimoimaan kantoaluksen massa, ohjausjärjestelmät mukaan lukien, ottamalla käyttöön uusimmat elektroniikkatekniikan edistysaskeleet. . Texas Instrument ja Fairchild Semiconductor ovat tehneet suuria sopimuksia integroitujen piirien suunnittelusta ja valmistuksesta Yhdysvaltain puolustusministeriön ja NASA:n kanssa.

Ensimmäiset puolijohdepiirit Neuvostoliitossa

1950-luvun lopulla Neuvostoliiton teollisuus halusi niin epätoivoisesti puolijohdediodeja ja -transistoreita, että tarvittiin radikaaleja toimenpiteitä. Vuonna 1959 perustettiin puolijohdetehtaita Aleksandroviin, Brjanskiin, Voronežiin, Riikaan jne. Tammikuussa 1961 NKP:n keskuskomitea ja Neuvostoliiton ministerineuvosto hyväksyivät toisen päätöslauselman "Puolijohdeteollisuuden kehittämisestä", jossa määrättiin tehtaiden ja tutkimuslaitosten rakentaminen Kiovaan, Minskiin, Jerevaniin, Naltšikiin ja muihin kaupunkeihin.

Olemme kiinnostuneita yhdestä uusista tehtaista - edellä mainitusta Riga Semiconductor Devices Plantista (RZPP, se muutti nimensä useita kertoja, yksinkertaisuuden vuoksi käytämme kuuluisinta, joka on edelleen toiminnassa). Rakenteilla oleva osuuskuntateknikon rakennus, jonka pinta-ala on 5300 m2, osoitettiin uuden tehtaan laukaisualustaksi, ja samalla aloitettiin erikoisrakennuksen rakentaminen. Helmikuuhun 1960 mennessä tehdas oli luonut jo 32 palvelua, 11 laboratoriota ja pilottituotantoa, joka aloitettiin huhtikuussa valmistautumaan ensimmäisten laitteiden tuotantoon. Tehdas työllisti jo 350 henkilöä, joista 260 lähetettiin vuoden aikana opiskelemaan Moskovan tutkimusinstituuttiin 35 (myöhemmin Pulsar Research Institute) ja Leningradin Svetlanan tehtaaseen. Ja vuoden 1960 loppuun mennessä työntekijöiden määrä oli 1 900 henkilöä. Aluksi teknologialinjat sijaitsivat Osuuskunnan teknillisen koulurakennuksen uusitussa urheiluhallissa ja OKB:n laboratoriot entisissä luokkahuoneissa. Tehdas valmisti ensimmäiset laitteet (NII-35:n kehittämät seosdiffuusio- ja muunnosgermaniumtransistorit P-401, P-403, P-601 ja P-602) 9 kuukautta sen luomistilauksen allekirjoittamisen jälkeen, maaliskuussa 1960. Ja heinäkuun loppuun mennessä hän valmisti ensimmäiset tuhat P-401-transistoria. Sitten hän hallitsi monien muiden transistorien ja diodien tuotannon. Kesäkuussa 1961 valmistui erikoisrakennuksen rakentaminen, jossa aloitettiin puolijohdelaitteiden massatuotanto.

Vuodesta 1961 lähtien tehdas aloitti itsenäisen teknologisen ja kehitystyön, mukaan lukien fotolitografiaan perustuvien transistorien tuotannon mekanisoinnin ja automatisoinnin. Tätä tarkoitusta varten kehitettiin ensimmäinen kotimainen valokuvatoistin (valokuvaleima) - asennus valokuvatulostuksen yhdistämiseen ja kontaktiin (kehittäjä A.S. Gotman). Radioteollisuusministeriön yritykset, mukaan lukien KB-1 (myöhemmin NPO Almaz, Moskova) ja NIIRE, tarjosivat suurta apua ainutlaatuisten laitteiden rahoituksessa ja valmistuksessa. Tuolloin aktiivisimmat pienikokoisten radiolaitteiden kehittäjät, joilla ei ollut omaa teknologista puolijohdepohjaa, etsivät tapoja olla luovasti vuorovaikutuksessa vastaperustettujen puolijohdetehtaiden kanssa.

RZPP:ssä tehtiin aktiivista työtä P401- ja P403-tyyppisten germaniumtransistorien tuotannon automatisoimiseksi tehtaan luomaan Ausma-tuotantolinjaan perustuen. Sen pääsuunnittelija (GC) A.S. Gottman ehdotti, että germaniumin pinnalle tehdään virtaa kuljettavia polkuja transistorin elektrodeilta kiteen kehälle, jotta transistorin johtojen hitsaaminen kotelossa olisi helpompaa. Mutta mikä tärkeintä, näitä raitoja voitiin käyttää transistorin ulkoisina liittiminä, kun ne koottiin korteiksi (sisältävät liitos- ja passiivielementtejä) ilman pakkausta, juottamalla ne suoraan vastaaviin kosketinlevyihin (itse asiassa hybridi-IC:iden luomistekniikka oli ehdotettu). Ehdotettu menetelmä, jossa kristallin virtaa kuljettavat polut näyttävät suutelevan laudan kosketuslevyjä, sai alkuperäisen nimen - "suudelmatekniikka". Mutta useiden tuolloin ratkaisemattomiksi osoittautuneiden teknisten ongelmien vuoksi, jotka liittyivät pääasiassa painetun piirilevyn kontaktien saamisen tarkkuuteen liittyviin ongelmiin, "suudelmatekniikkaa" ei ollut mahdollista toteuttaa käytännössä. Muutamaa vuotta myöhemmin samanlainen idea otettiin käyttöön Yhdysvalloissa ja Neuvostoliitossa, ja se löysi laajan sovelluksen niin sanotuissa "pallojohdoissa" ja "chip-to-board" -tekniikassa.

RZPP:n kanssa yhteistyötä tekevät laitteistoyritykset, mukaan lukien NIIRE, toivoivat kuitenkin "suudelmateknologiaa" ja suunnittelivat sen käyttöä. Keväällä 1962, kun kävi selväksi, että sen täytäntöönpanoa lykättiin määräämättömäksi ajaksi, NIIRE V.I:n pääinsinööri. Smirnov kysyi RZPP S.A:n johtajalta. Bergman löytää toisen tavan toteuttaa monielementtinen 2NOR-piiri, joka on universaali digitaalisten laitteiden rakentamiseen.

Riisi. 7. Vastaava piiri IC R12-2 (1LB021). Piirustus vuoden 1965 IP-esitteestä.

Yuri Osokinin ensimmäinen IS ja GIS. Kiinteä kaava R12-2(IS-sarja 102 Ja 116 )

RZPP:n johtaja uskoi tämän tehtävän nuorelle insinöörille Juri Valentinovich Osokinille. Järjestimme osaston, joka koostui teknologialaboratoriosta, valokuvamaskien kehitys- ja valmistuslaboratoriosta, mittauslaboratoriosta ja pilottituotantolinjasta. Tuolloin RZPP:lle toimitettiin germaniumdiodien ja -transistorien valmistustekniikka, ja se otettiin uuden kehityksen perustaksi. Ja jo syksyllä 1962 saatiin ensimmäiset prototyypit germanium-kiinteästä piiristä 2NOT-OR (koska termiä IS ei silloin ollut olemassa, kunnioitamme noiden aikojen asioita, säilytämme nimen "kova piiri" - TS), joka sai tehdasmerkinnän "P12-2". P12-2:sta on säilynyt mainosvihkonen vuodelta 1965 (kuva 6), tietoa ja kuvia, joista käytämme. TS R12-2 sisälsi kaksi germanium p - n - p -transistoria (muunneltuja transistoreita tyyppejä P401 ja P403), joilla oli yhteinen kuorma hajautetun germanium p-tyyppisen vastuksen muodossa (kuva 7).

Riisi. 8. IC:n R12-2 rakenne. Piirustus vuoden 1965 IP-esitteestä.

Riisi. 9. Ajoneuvon R12-2 mittapiirustus. Piirustus vuoden 1965 IP-esitteestä.

Ulkoiset johdot muodostetaan lämpöpuristushitsauksella TC-rakenteen germanium-alueiden ja lyijyjohtimien kullan välillä. Tämä varmistaa piirien vakaan toiminnan ulkoisten vaikutusten alaisena trooppisissa ja merisumuolosuhteissa, mikä on erityisen tärkeää toiminnalle laivaston kvasielektronisissa automaattisissa puhelinkeskuksissa, joita valmistaa myös tästä kehityksestä kiinnostunut Riian VEF-tehdas.

Rakenteellisesti R12-2 TS (ja sitä seurannut R12-5) tehtiin "tabletin" muodossa (kuva 9) pyöreästä metallikupista, jonka halkaisija oli 3 mm ja korkeus 0,8 mm. TC-kide asetettiin siihen ja täytettiin polymeeriseoksella, josta tuli pehmeästä, halkaisijaltaan 50 mikronia olevasta kultalangasta valmistettujen johtimien lyhyet ulkopäät, jotka oli hitsattu kiteeseen. P12-2:n massa ei ylittänyt 25 mg. Tässä mallissa ajoneuvot kestivät 80 %:n suhteellista kosteutta 40 °C:n ympäristön lämpötilassa ja syklisiä lämpötilan muutoksia -60 °C:sta 60 °C:seen.

Vuoden 1962 loppuun mennessä RZPP:n pilottituotanto tuotti noin 5 tuhatta R12-2-ajoneuvoa, ja vuonna 1963 niitä valmistettiin useita kymmeniä tuhansia. Näin ollen vuodesta 1962 tuli mikroelektroniikkateollisuuden syntymävuosi USA:ssa ja Neuvostoliitossa.

Riisi. 10. Ryhmät TS R12-2

Riisi. 11. R12-2:n sähköiset perusominaisuudet

Puolijohdetekniikka oli tuolloin lapsenkengissään, eikä se vielä takaa parametrien tiukkaa toistettavuutta. Siksi toimivat laitteet lajiteltiin parametriryhmiin (tämä tehdään usein meidän aikanamme). Riian asukkaat tekivät samoin ja asensivat R12-2-ajoneuvoon 8 vakioluokitusta (kuva 10). Kaikki muut sähköiset ja muut ominaisuudet ovat samat kaikille vakioarvoille (kuva 11).

TS R12-2:n tuotanto alkoi samanaikaisesti tutkimus- ja kehitystyön "Hardness" kanssa, joka päättyi vuonna 1964 (GK Yu.V. Osokin). Osana tätä työtä kehitettiin parannettu ryhmätekniikka germanium-ajoneuvojen sarjatuotantoon, joka perustuu fotolitografiaan ja metalliseosten galvaaniseen pinnoitukseen fotomaskin avulla. Sen tärkeimmät tekniset ratkaisut on rekisteröinyt Yu.V. Osokinin keksinnöiksi. ja Mikhalovich D.L. (A.S. nro 36845). Useita Yu.V:n artikkeleita julkaistiin luokitellussa Spetsradioelectronics-lehdessä. Osokina yhteistyössä KB-1-asiantuntijoiden kanssa I.V. Ei mitään, G.G. Smolko ja Yu.E. Naumov ja kuvaus R12-2-ajoneuvon (ja sitä seuraavan R12-5-ajoneuvon) rakenteesta ja ominaisuuksista.

P12-2:n suunnittelu oli hyvä kaikessa, paitsi yhtä asiaa - kuluttajat eivät tienneet kuinka käyttää niin pieniä tuotteita ohuimmilla johtimilla. Yleensä laitteistoyrityksillä ei ollut tekniikkaa eikä laitteita tähän. R12-2:n ja R12-5:n koko tuotantojakson ajan niiden käyttöä hallitsivat NIIRE, radioteollisuusministeriön Zhigulevsky-radiotehdas, VEF, NIIP (vuodesta 1978 NPO Radiopribor) ja muutama muu yritys. Ymmärtäessään ongelman TS-kehittäjät yhdessä NIIRE:n kanssa ajattelivat heti toista suunnittelun tasoa, mikä samalla lisäsi laitteiston asettelun tiheyttä.

Riisi. 12. 4 ajoneuvon moduuli R12-2

Vuonna 1963 NIIRE:ssä kehitettiin Kvantin suunnittelu- ja kehitystyön (GK A.N. Pelipenko, mukana E.M. Lyakhovich) puitteissa moduulisuunnittelu, joka yhdisti neljä R12-2-ajoneuvoa (kuva 12). Kahdesta neljään R12-2 TC:tä (kotelossa) asetettiin ohuesta lasikuidusta tehdylle mikrolevylle, joka toteutti yhdessä tietyn toiminnallinen yksikkö. Korkeintaan 17 nastaa (määrä vaihteli tietyn moduulin mukaan), joiden pituus oli 4 mm, puristettiin levylle. Mikrolevy asetettiin leimautuneeseen metallikuppiin, jonka mitat olivat 21,6 ? 6,6 mm ja 3,1 mm syvä ja täytetty polymeeriyhdisteellä. Tuloksena on hybridi-integroitu piiri (HIC), jossa elementit on tiivistetty kaksinkertaisesti. Ja kuten jo totesimme, se oli maailman ensimmäinen kaksitasoinen GIS ja ehkä ensimmäinen GIS yleensäkin. Kehitettiin kahdeksan tyyppistä moduulia yleisnimellä "Quantum", jotka suorittivat erilaisia ​​loogisia toimintoja. Tällaisten moduulien osana R12-2-ajoneuvot pysyivät toimintakunnossa, kun ne altistettiin tasaisille jopa 150 g:n kiihtyvyyksille ja tärinäkuormille taajuusalueella 5–2000 Hz kiihtyvyydellä 15 g asti.

Kvant-moduulit valmistettiin ensin NIIRE:n pilottituotannossa, minkä jälkeen ne siirrettiin Neuvostoliiton radioteollisuusministeriön Zhigulevsky-radiotehtaalle, joka toimitti ne eri kuluttajille, mukaan lukien VEF-tehtaalle.

TS R12-2 ja niihin perustuvat Kvant-moduulit ovat osoittautuneet hyvin ja ovat laajalti käytössä. Vuonna 1968 julkaistiin standardi, joka luo yhtenäisen merkintäjärjestelmän integroiduille piireille maassa, ja vuonna 1969 - Yleiset tekniset eritelmät puolijohde- (NP0.073.004TU) ja hybridi- (NP0.073.003TU) mikropiirien kanssa. yhtenäinen järjestelmä vaatimukset. Näiden vaatimusten mukaisesti Integroitujen piirien soveltamiskeskus (TsBPIMS, myöhemmin CDB Dayton, Zelenograd) hyväksyi 6. helmikuuta 1969 ajoneuvolle uudet tekniset spesifikaatiot ShT3.369.001-1TU. Samaan aikaan tuotteen nimessä esiintyi ensimmäistä kertaa 102-sarjan "integroitu piiri". TS R12-2:ta alettiin kutsua IS: 1LB021V, 1LB021G, 1LB021Zh, 1LB021I. Itse asiassa se oli yksi IC, joka oli lajiteltu neljään ryhmään lähtöjännitteen ja kuormituskapasiteetin mukaan.

Riisi. 13. 116- ja 117-sarjan IC:t

Ja 19. syyskuuta 1970 TsBPIMS hyväksyi tekniset tiedot AB0.308.014TU Kvant-moduuleille, jotka on nimetty IS-sarjaksi 116 (kuva 13). Sarjaan kuului yhdeksän mikropiiriä: 1ХЛ161, 1ХЛ162 ja 1ХЛ163 – monitoimiset digitaalipiirit; 1LE161 ja 1LE162 – kaksi ja neljä loogista elementtiä 2NOR; 1TP161 ja 1TP1162 – yksi ja kaksi laukaisinta; 1UP161 – tehovahvistin sekä 1LP161 – logiikka elementti"kielto" 4 sisääntulolle ja 4 ulostulolle. Jokaisella näistä IC:istä oli neljästä seitsemään suunnitteluvaihtoehtoa, jotka erosivat lähtösignaalin jännitteestä ja kuormituskapasiteetista, yhteensä 58 IC-tyyppiä. Mallit merkittiin kirjaimella IS-tunnuksen digitaalisen osan jälkeen, esimerkiksi 1ХЛ161ж. Myöhemmin moduulivalikoima laajeni. 116-sarjan IC:t olivat itse asiassa hybridejä, mutta RZPP:n pyynnöstä ne merkittiin puolijohteiksi (merkinnän ensimmäinen numero on "1", hybrideissä pitäisi olla "2").

Vuonna 1972ön ja radioteollisuusministeriön yhteisellä päätöksellä moduulien tuotanto siirrettiin Zhigulevsky Radio Plantilta RZPP:hen. Tämä eliminoi mahdollisuuden kuljettaa 102-sarjan IC:itä pitkiä matkoja, joten he luopuivat tarpeesta sulkea jokaisen IC:n suulake. Tämän seurauksena sekä 102- että 116-sarjan IC:iden suunnittelu yksinkertaistui: 102-sarjan IC:itä ei tarvinnut pakata yhdisteellä täytettyyn metallikuppiin. 102-sarjan pakkaamattomat IC:t teknologisissa säiliöissä toimitettiin viereiseen konepajaan 116-sarjan IC:ien kokoamista varten, asennettuna suoraan niiden mikrolevyyn ja sinetöitynä moduulikoteloon.

1970-luvun puolivälissä julkaistiin uusi standardi IP-merkintäjärjestelmälle. Tämän jälkeen esimerkiksi IS 1LB021V sai tunnuksen 102LB1V.

Juri Osokinin toinen IS ja GIS. Kiinteä kaava R12-5(IS-sarja 103 Ja 117 )

Vuoden 1963 alkuun mennessä korkeataajuisten n - p - n -transistorien kehittämiseen tehdyn vakavan työn tuloksena Yu.V. Osokinalla on pitkä kokemus työskentelystä p-kerrosten kanssa alkuperäisen n-germaniumkiekon parissa. Tämä ja kaikkien tarvittavien teknisten komponenttien läsnäolo mahdollisti Osokinin vuonna 1963 aloittaa uuden teknologian kehittämisen ja ajoneuvon nopeamman version suunnittelun. Vuonna 1964 NIIRE:n tilauksesta saatiin päätökseen R12-5-ajoneuvon ja siihen perustuvien moduulien kehitys. Sen tulosten perusteella Palangan T&K avattiin vuonna 1965 (GK Yu.V. Osokin, hänen sijaisensa - D.L. Mikhalovich, valmistui vuonna 1966). R12-5:een perustuvat moduulit kehitettiin samassa T&K-projektissa "Kvant" kuin R12-2:een perustuvat moduulit. Samanaikaisesti 102- ja 116-sarjojen teknisten eritelmien kanssa olivat tekniset tiedot ShT3.369.002-2TU 103-sarjan IC:lle (R12-5) ja AV0.308.016TU 117-sarjan IC:lle (moduulit perustuvat 103-sarjan IC:iin). hyväksytty. TS R12-2:n, niissä olevien moduulien ja IS-sarjojen 102 ja 116 tyyppi- ja standardiluokitus oli identtinen TS R12-5:n ja IS-sarjan 103 ja 117 nimikkeistön kanssa. Ne erosivat vain IC-kiteen nopeudesta ja valmistustekniikasta. 117-sarjan tyypillinen etenemisviive oli 55 ns verrattuna 200 ns 116-sarjaan.

Rakenteellisesti R12-5 TS oli nelikerroksinen puolijohderakenne (kuva 14), jossa n-tyypin substraatti ja p + -tyypin emitterit oli kytketty yhteiseen maadoitusväylään. Tärkeimmät tekniset ratkaisut R12-5-ajoneuvon rakentamiseen on rekisteröity Yu.V. Osokinin, D.L. Mikhalovichin keksintönä. Kaydalova Zh.A ja Akmensa Ya.P. (A.S. nro 248847). TC R12-5:n nelikerroksista rakennetta valmistettaessa tärkeä tietotaito oli n-tyypin p-kerroksen muodostaminen alkuperäiseen germaniumlevyyn. Tämä saavutettiin diffuusiolla sinkkiä suljetussa kvartsiampullissa, jossa levyt sijaitsevat noin 900 °C:n lämpötilassa ja sinkki ampullin toisessa päässä noin 500 °C:n lämpötilassa. luodussa p-kerroksessa oleva TS-rakenne on samanlainen kuin P12-2 TS. Uusi teknologia on mahdollistanut TS-kiteen monimutkaisen muodon välttämisen. P12-5:llä varustetut kiekot hiottiin myös takaa noin 150 mikronin paksuuteen, jolloin osa alkuperäisestä kiekosta säilytettiin, ja sitten ne piirrettiin yksittäisiksi suorakaiteen muotoisiksi IC-siruiksi.

Riisi. 14. AS No. 248847:n TS R12-5 -kiteen rakenne. 1 ja 2 – maadoitus, 3 ja 4 – tulot, 5 – lähtö, 6 – teho

Ensimmäisen jälkeen positiivisia tuloksia kokeellisten R12-5-ajoneuvojen tuotanto KB-1:n tilauksesta avattiin Mezon-2-tutkimusprojekti, jonka tavoitteena oli luoda ajoneuvo, jossa on neljä R12-5-autoa. Vuonna 1965 saatiin työnäytteitä litteässä metalli-keraamikotelossa. Mutta P12-5 osoittautui vaikeaksi valmistaa, mikä johtui pääasiassa sinkillä seostetun p-kerroksen muodostamisen vaikeuksista alkuperäiseen n-Ge-kiekkoon. Kiteen valmistus osoittautui työvoimavaltaiseksi, tuottoprosentti on alhainen ja ajoneuvon hinta korkea. Samoista syistä R12-5 TC:tä valmistettiin pieninä määrinä, eikä se voinut syrjäyttää hitaampaa, mutta teknisesti edistyneempää R12-2:ta. Ja Mezon-2-tutkimusprojektia ei jatkettu ollenkaan, myös yhteenliittämisongelmien vuoksi.

Tähän mennessä Pulsar Research Institute ja NIIME tekivät jo laajaa työtä tasomaisen piiteknologian kehittämiseksi, jolla on useita etuja germaniumteknologiaan verrattuna, joista tärkein on korkeampi käyttölämpötila-alue (+150°C). piille ja +70°C germaniumille) ja luonnollisen piin läsnäolo suojakalvo Si02. Ja RZPP:n erikoistuminen suuntautui uudelleen analogisten IC:iden luomiseen. Siksi RZPP:n asiantuntijat pitivät germaniumteknologian kehittämistä IC:iden tuotantoa varten sopimattomana. Kuitenkin transistorien ja diodien valmistuksessa germanium ei menettänyt asemaansa jonkin aikaa. Osastolla Yu.V. Osokin, vuoden 1966 jälkeen kehitettiin ja valmistettiin RZPP-germanium-tasokohinaisia ​​mikroaaltotransistoreja GT329, GT341, GT 383 jne. Niiden luominen palkittiin Latvian Neuvostoliiton valtionpalkinnolla.

Sovellus

Riisi. 15. Aritmeettinen laite solid-circuit-moduuleissa. Kuva TS-kirjasesta vuodelta 1965.

Riisi. 16. Releeseen ja ajoneuvoon tehdyn automaattisen puhelinkeskuksen ohjauslaitteen vertailumitat. Kuva TS-kirjasesta vuodelta 1965.

R12-2 TS:n ja moduulien asiakkaat ja ensimmäiset kuluttajat olivat tiettyjen järjestelmien luojia: Gnome-tietokone (kuva 15) Kupolin lentokonejärjestelmän (NIIRE, GK Lyakhovich E.M.) sekä meri- ja siviiliautomaattiset puhelinkeskukset. (tehdas VEF, GK Misulovin L.Ya.). Osallistui aktiivisesti R12-2-, R12-5-ajoneuvojen ja niiden sekä KB-1:n moduulien luomisen kaikkiin vaiheisiin, tämän yhteistyön pääkuraattori KB-1:ltä oli N.A. Barkanov. He auttoivat rahoituksessa, laitevalmistuksessa sekä ajoneuvojen ja moduulien tutkimuksessa eri muodoissa ja käyttöolosuhteissa.

TS R12-2 ja siihen perustuvat Kvant-moduulit olivat maan ensimmäiset mikropiirit. Ja maailmassa he olivat ensimmäisten joukossa - vain Yhdysvalloissa Texas Instruments ja Fairchild Semiconductor alkoivat tuottaa ensimmäisiä puolijohde-IC:itä, ja vuonna 1964 IBM Corporation aloitti paksukalvohybridi-IC:iden valmistuksen tietokoneisiinsa. Muissa maissa IP:tä ei ole vielä ajateltu. Siksi integroidut piirit olivat yleisön uteliaisuus, niiden käytön tehokkuus teki silmiinpistävän vaikutelman ja esitettiin mainoksissa. R12-2-ajoneuvon säilynyt kirjanen vuodelta 1965 (perustuu todellisiin sovelluksiin) sanoo: " Puolijohde-P12-2-piirien käyttö sisäisissä laskentalaitteissa mahdollistaa näiden laitteiden painon ja mittojen pienentämisen 10–20-kertaisesti, virrankulutuksen pienentämisen ja käyttövarmuuden lisäämisen. ... Kiinteiden P12-2-piirien käyttö ohjausjärjestelmissä ja automaattisten puhelinkeskusten tiedonsiirtopolkujen vaihtaminen mahdollistaa ohjauslaitteiden äänenvoimakkuuden pienentämisen noin 300-kertaiseksi sekä sähkönkulutuksen vähentämiseksi merkittävästi (30-50 ajat)". Näitä väitteitä havainnollistivat valokuvat Gnome-tietokoneen aritmeettisesta laitteesta (kuva 15) ja vertailu VEF-tehtaan tuolloin tuottamasta relepohjaisesta ATS-telineestä tytön kämmenessä olevaan pieneen lohkoon (kuva 16). . Riian ensimmäisille IC:ille oli muitakin lukuisia sovelluksia.

Tuotanto

Nyt on vaikea palauttaa täydellistä kuvaa IC-sarjojen 102 ja 103 tuotantomääristä vuosittain (tänään RZPP on muuttunut suuresta tehtaasta pieneksi tuotannosta ja monet arkistot ovat kadonneet). Mutta Yu.V:n muistelmien mukaan Osokinin mukaan 1960-luvun jälkipuoliskolla tuotanto oli useita satoja tuhansia vuodessa, 1970-luvulla miljoonia. Hänen säilyneiden henkilökohtaisten muistiinpanonsa mukaan vuonna 1985 valmistettiin 102-sarjan IC:itä - 4 100 000 kpl, 116-sarjan moduuleja - 1 025 000 kpl, 103-sarjan IC:itä - 700 000 kpl, 0175-sarjan moduuleja - 017 000 kpl. .

Vuoden 1989 lopussa Yu.V. Osokin, silloinen Alpha Production Associationin pääjohtaja, kääntyi Neuvostoliiton ministerineuvoston (MIC) alaisuudessa toimivan sotilas-teollisen komission johdon puoleen pyytämällä sarjat 102, 103, 116 ja 117 poistamaan tuotannosta niiden vanhentuneisuuden ja korkea työvoimaintensiteetti (25 vuodessa mikroelektroniikka ei ole kaukana mennyt eteenpäin), mutta sai kategorisen kieltäytymisen. Sotilas-teollisen kompleksin varapuheenjohtaja V.L. Koblov kertoi hänelle, että koneet lentävät luotettavasti, vaihto on poissuljettu. Neuvostoliiton romahtamisen jälkeen IC-sarjoja 102, 103, 116 ja 117 valmistettiin 1990-luvun puoliväliin saakka, eli yli 30 vuotta. Gnome-tietokoneet ovat edelleen asennettuna Il-76:n ja joidenkin muiden lentokoneiden navigointihytissä. "Tämä on supertietokone", lentäjämme eivät ole tappiolla, kun heidän ulkomaiset kollegansa ovat yllättyneitä kiinnostuksestaan ​​tätä ennennäkemätöntä laitetta kohtaan.

Tietoa prioriteeteista

Huolimatta siitä, että J. Kilbyllä ja R. Noycela oli edeltäjiä, maailman yhteisö tunnustaa heidät integroidun piirin keksijiksi.

R. Kilby ja J. Noyce jättivät yritystensä kautta patenttihakemukset integroidun piirin keksinnölle. Texas Instruments haki patenttia aiemmin, helmikuussa 1959, ja Fairchild haki sen vasta saman vuoden heinäkuussa. Mutta patentti numero 2981877 myönnettiin huhtikuussa 1961 R. Noycelle. J. Kilby haastoi oikeuteen ja vasta kesäkuussa 1964 sai patenttinsa numeron 3138743. Sitten käytiin kymmenen vuoden sota prioriteeteista, jonka seurauksena (harvinaisissa tapauksissa) "ystävyys voitti". Lopulta muutoksenhakutuomioistuin hyväksyi Noycen vaatimuksen teknologisesta ensisijaisuudesta, mutta päätti, että J. Kilbyn ansioksi pitäisi antaa ensimmäisen toimivan mikropiirin luominen. Ja Texas Instruments ja Fairchild Semiconductor allekirjoittivat sopimuksen ristiinlisensointitekniikoista.

Neuvostoliitossa keksintöjen patentointi ei aiheuttanut tekijöille muuta kuin vaivaa, merkityksetöntä kertamaksua ja moraalista tyydytystä, joten monia keksintöjä ei rekisteröity ollenkaan. Eikä Osokinillakaan ollut kiirettä. Mutta yrityksille keksintöjen määrä oli yksi indikaattoreista, joten ne piti silti rekisteröidä. Siksi Yu. Osokina ja D. Mikhalovich saivat Neuvostoliiton tekijäntodistuksen nro 36845 R12-2-ajoneuvon keksimisestä vasta 28.6.1966.

Ja J. Kilbystä vuonna 2000 tuli yksi Nobel-palkinnon saajista IP:n keksimisestä. R. Noyce ei saanut maailmanlaajuista tunnustusta, hän kuoli vuonna 1990, eikä sääntöjen mukaan Nobel-palkintoa jaeta postuumisti. Mikä tässä tapauksessa ei ole täysin reilua, koska kaikki mikroelektroniikka seurasi R. Noycen aloittamaa polkua. Noycen auktoriteetti asiantuntijoiden keskuudessa oli niin korkea, että hän sai jopa lempinimen "Piilaakson pormestari", koska hän oli silloin suosituin tutkijoista, jotka työskentelivät siinä Kalifornian osassa, joka sai epävirallisen nimen Piilaakso (V. Shockley oli nimeltään "Mooses of Silicon Valley"). Mutta J. Kilbyn ("karvainen" germanium) polku osoittautui umpikujaksi, eikä sitä toteutettu edes hänen seurassaan. Mutta elämä ei ole aina reilua.

Nobel-palkinto myönnettiin kolmelle tiedemiehelle. Puolet siitä sai 77-vuotias Jack Kilby, ja toinen puoli jaettiin Venäjän tiedeakatemian akateemikon Zhores Alferovin ja Kalifornian yliopiston Santa Barbaran professorin, saksalais-amerikkalaisen Herbert Kremerin kesken. nopeassa optoelektroniikassa käytettävien puolijohdeheterorakenteiden kehittäminen.

Näitä teoksia arvioidessaan asiantuntijat totesivat, että "integroidut piirit ovat tietysti vuosisadan löytö, jolla on ollut syvällinen vaikutus yhteiskuntaan ja maailmantalouteen". Unohdetulle J. Kilbylle Nobel-palkinto oli yllätys. Lehden haastattelussa Eurofysiikan uutiset Hän myönsi: " Mietin tuolloin vain sitä, mikä olisi elektroniikan kehityksen kannalta taloudellisesti tärkeää. Mutta en silloin ymmärtänyt, että elektroniikkatuotteiden kustannusten aleneminen aiheuttaisi sähkötekniikan kasvuvyöryn.".

Ja Yu. Osokinin teoksia ei arvosta vain Nobel-komitea. Ne on myös unohdettu maassamme, maan prioriteettia mikroelektroniikan luomisessa ei ole suojattu. Ja hän epäilemättä oli.

1950-luvulla luotiin materiaaliperusta monielementtituotteiden - integroitujen piirien - muodostamiselle yhdelle monoliittiselle kiteelle tai yhdelle keraamiselle alustalle. Siksi ei ole yllättävää, että lähes samanaikaisesti idea IP:stä nousi itsenäisesti monien asiantuntijoiden mieleen. Ja uuden idean toteuttamisnopeus riippui tekijän teknisistä kyvyistä ja valmistajan kiinnostuksesta, eli ensimmäisen kuluttajan läsnäolosta. Tässä suhteessa Yu. Osokin huomasi olevansa paremmassa asemassa kuin hänen amerikkalaiset kollegansa. Kilby oli uusi TI:lle, ja hänen täytyi jopa todistaa yrityksen johdolle perustavanlaatuinen mahdollisuus toteuttaa monoliittinen piiri tekemällä sen prototyyppi. Itse asiassa J. Kilbyn rooli IP:n luomisessa rajoittuu TI:n johdon uudelleenkouluttamiseen ja R. Noycen provosointiin aktiiviseen toimintaan ulkoasullaan. Kilbyn keksintö ei mennyt massatuotantoon. R. Noyce meni nuoressa ja ei vielä vahvassa yhtiössään luomaan uutta tasotekniikkaa, josta todellakin tuli myöhemmän mikroelektroniikan perusta, mutta joka ei heti antanut periksi kirjailijalle. Edellä mainitun yhteydessä molemmat ja heidän yritykset joutuivat käyttämään paljon vaivaa ja aikaa toteuttaakseen ideoitaan massatuotettujen IC:ien rakentamisesta käytännössä. Heidän ensimmäiset näytteensä jäivät kokeellisiksi, mutta muut mikropiirit, joita he eivät edes kehittäneet, menivät massatuotantoon. Toisin kuin Kilby ja Noyce, jotka olivat kaukana tuotannosta, tehtaan omistaja Yu. Osokin luotti teollisesti kehitettyihin puolijohde-RZPP-tekniikoihin ja oli taannut ensimmäisten ajoneuvojen kuluttajat NIIRE:n ja läheisen VEF-tehtaan kehittämisen aloitteentekijänä. joka auttoi tässä työssä. Näistä syistä hänen ajoneuvonsa ensimmäinen versio siirtyi välittömästi koetuotantoon, joka siirtyi sujuvasti massatuotantoon, joka jatkui yhtäjaksoisesti yli 30 vuotta. Siten Yu. Osokin (ei tiennyt tästä kilpailusta) tarttui nopeasti TS:n kehittämiseen Kilbyä ja Noycea myöhemmin. Lisäksi Yu. Osokinin teokset eivät liity millään tavalla amerikkalaisten teoksiin, todisteena tästä on hänen ajoneuvonsa ja siinä toteutettujen ratkaisujen ehdoton erilaisuus Kilbyn ja Noycen mikropiireistä. Texas Instruments (ei Kilbyn keksintö), Fairchild ja RZPP aloittivat piirilevyjensä tuotannon lähes samanaikaisesti, vuonna 1962. Tämä antaa täyden oikeuden pitää Yu. Osokinaa yhtenä integroidun piirin keksijänä R. Noycen ja enemmän kuin J. Kilbyn kanssa, ja olisi reilua jakaa osa J. Kilbyn Nobel-palkinnosta Yun kanssa. Osokin. Mitä tulee ensimmäisen kaksitasoisen integroinnin (ja mahdollisesti GIS:n) keksimiseen, tässä prioriteetti A. NIIRE:n Pelipenko on ehdottoman kiistaton.

Valitettavasti näytteitä museoille tarpeellisista ajoneuvoista ja niihin perustuvista laitteista ei löytynyt. Kirjoittaja olisi erittäin kiitollinen tällaisista näytteistä tai valokuvista niistä.

Integroitu piiri (IC, mikropiiri), siru, mikrosiru (englanniksi mikrosiru, piisiru, siru - ohut levy - termi viittasi alun perin mikropiirikidelevyyn) - mikroelektroninen laite - elektroninen piiri mielivaltaisen monimutkainen (kide), valmistettu puolijohdesubstraatille (kiekko tai kalvo) ja sijoitettu ei-irrotettavaan koteloon tai ilman sitä, jos se sisältyy mikrokokoonpanoon.

Mikroelektroniikka on aikamme merkittävin ja, kuten monet uskovat, tärkein tieteellinen ja tekninen saavutus. Sitä voidaan verrata sellaisiin tekniikan historian käännekohtiin, kuten painatuksen keksiminen 1500-luvulla, höyrykoneen luominen 1700-luvulla ja sähkötekniikan kehitys 1800-luvulla. Ja kun tänään puhumme tieteellisestä ja teknologisesta vallankumouksesta, tarkoitamme ensisijaisesti mikroelektroniikkaa. Kuten mikään muu nykypäivän tekninen saavutus, se läpäisee kaikki elämän osa-alueet ja tekee todeksi sen, mikä oli yksinkertaisesti käsittämätöntä juuri eilen. Tästä vakuuttumiseen riittää, kun muistat taskulaskimet, pienoisradiot, kodinkoneiden elektroniset ohjauslaitteet, kellot, tietokoneet ja ohjelmoitavat tietokoneet. Ja tämä on vain pieni osa sen sovellusalueesta!

Mikroelektroniikka johtuu syntymisestä ja olemassaolostaan ​​uuden pienikokoisen elektronisen elementin - integroidun piirin - luomisesta. Näiden piirien ulkonäkö ei itse asiassa ollut mikään pohjimmiltaan uusi keksintö - se seurasi suoraan puolijohdelaitteiden kehityksen logiikasta. Aluksi puolijohdeelementtien tullessa käyttöön kutakin transistoria, vastusta tai diodia käytettiin erikseen, eli se suljettiin omaan yksittäiskoteloonsa ja sisällytettiin piiriin yksittäisillä koskettimillaan. Tämä tehtiin myös tapauksissa, joissa oli tarpeen koota monia samanlaisia ​​​​piirejä samoista elementeistä.

Vähitellen tuli ymmärrys, että oli järkevämpää olla kokoamatta tällaisia ​​laitteita yksittäisistä elementeistä, vaan valmistaa ne välittömästi yhdelle yhteiselle kiteelle, varsinkin kun puolijohdeelektroniikka loi kaikki edellytykset tälle. Itse asiassa kaikki puolijohdeelementit ovat rakenteeltaan hyvin samankaltaisia ​​toistensa kanssa, niillä on sama toimintaperiaate ja ne eroavat vain p-n-alueiden suhteellisesta sijainnista.

Nämä p-n alueita Kuten muistamme, syntyy lisäämällä samantyyppisiä epäpuhtauksia puolijohdekiteen pintakerrokseen. Lisäksi suurimman osan puolijohdeelementeistä luotettava ja kaikilta osin tyydyttävä toiminta varmistetaan pintatyökerroksen paksuudella millimetrin tuhannesosia. Pienimmät transistorit käyttävät tyypillisesti vain puolijohdesirun yläkerrosta, joka on vain 1 % sen paksuudesta. Loput 99 % toimii kantajana tai substraattina, koska ilman substraattia transistori voisi yksinkertaisesti romahtaa pienimmästäkin kosketuksesta. Näin ollen yksittäisten elektroniikkakomponenttien valmistukseen käytetyllä tekniikalla on mahdollista luoda välittömästi täydellinen piiri, jossa on useita kymmeniä, satoja tai jopa tuhansia tällaisia ​​komponentteja yhdelle sirulle.

Tästä saatava hyöty tulee olemaan valtava. Ensinnäkin kustannukset laskevat välittömästi (mikropiirin hinta on yleensä satoja kertoja pienempi kuin sen komponenttien kaikkien elektronisten elementtien kokonaiskustannukset). Toiseksi, tällainen laite on paljon luotettavampi (kuten kokemus osoittaa, tuhansia ja kymmeniä tuhansia kertoja), ja tällä on valtava merkitys, koska vian löytäminen piirissä, joka koostuu kymmenistä tai sadoista tuhansista elektronisista komponenteista, muuttuu erittäin monimutkainen ongelma. Kolmanneksi johtuen siitä, että kaikki integroidun piirin elektroniset elementit ovat satoja ja tuhansia kertoja pienempiä kuin niiden vastineet tavanomaisessa piirissä, niiden energiankulutus on paljon pienempi ja niiden suorituskyky on paljon korkeampi.

Avaintapahtuma, joka ennusti integraation saapumista elektroniikkaan, oli Texas Instrumentsin amerikkalaisen insinöörin J. Kilbyn ehdotus saada koko piiriin vastaavat elementit, kuten rekistereitä, kondensaattoreita, transistoreita ja diodeja, monoliittisessa puhtaassa piikappaleessa. . Kilby loi ensimmäisen integroidun puolijohdepiirin kesällä 1958. Ja jo vuonna 1961 Fairchild Semiconductor Corporation julkaisi ensimmäiset sarjapiirit tietokoneille: sattumapiirin, puolisiirtorekisterin ja liipaisimen. Samana vuonna tuotanto puolijohteiden integroitu logiikkapiirejä masteroi teksasilainen yritys.

Seuraavana vuonna ilmestyi muiden yritysten integroidut piirit. SISÄÄN lyhyt aika integroidussa suunnittelussa Erilaisia ​​tyyppejä vahvistimet. Vuonna 1962 RCA kehitti integroituja muistimatriisisiruja tietokoneiden tallennuslaitteita varten. Vähitellen mikropiirien tuotanto perustettiin kaikissa maissa - mikroelektroniikan aikakausi alkoi.

Integroidun piirin lähtöaine on yleensä puhdasta piitä oleva raakakiekko. Sillä on suhteellisen suuri koko, koska siihen valmistetaan samanaikaisesti useita satoja samantyyppisiä mikropiirejä. Ensimmäinen toimenpide on, että hapen vaikutuksesta 1000 asteen lämpötilassa tämän levyn pinnalle muodostuu kerros piidioksidia. Piioksidille on ominaista suuri kemiallinen ja mekaaninen kestävyys, ja sillä on erinomaisen dielektrisen aineen ominaisuudet, mikä tarjoaa luotettavan eristyksen alla olevalle piille.

Seuraava vaihe on epäpuhtauksien lisääminen p- tai n-johtavuuskaistan luomiseksi. Tätä varten oksidikalvo poistetaan levyn kohdista, jotka vastaavat yksittäisiä elektronisia komponentteja. Haluttujen alueiden valinta tapahtuu fotolitografiaksi kutsutulla prosessilla. Ensinnäkin koko oksidikerros päällystetään valoherkällä yhdisteellä (fotoresistillä), joka toimii valokuvafilminä - se voidaan valottaa ja kehittää. Tämän jälkeen levy valaistaan ​​ultraviolettisäteillä erityisen valonaamion kautta, joka sisältää puolijohdekiteen pinnan kuvion.

Valon vaikutuksesta oksidikerrokseen muodostuu tasainen kuvio, jossa valottamattomat alueet jäävät vaaleiksi ja kaikki muut tummenevat. Paikkaan, jossa valovastus altistuu valolle, muodostuu kalvon liukenemattomia alueita, jotka kestävät happoa. Tämän jälkeen kiekkoa käsitellään liuottimella, joka poistaa fotoresistin altistuneilta alueilta. Paljastuneilta alueilta (ja vain niiltä) piioksidikerros syövytetään pois hapolla.

Tuloksena piioksidi liukenee oikeisiin paikkoihin ja puhtaan piin "ikkunat" avautuvat valmiina epäpuhtauksien tunkeutumiseen (ligaatioon). Tätä varten substraatin pinta 900-1200 asteen lämpötilassa altistetaan halutulle epäpuhtaudelle, esimerkiksi fosforille tai arseenille, n-tyypin johtavuuden saamiseksi. Epäpuhtausatomit tunkeutuvat syvälle puhtaaseen piin, mutta sen oksidi hylkii niitä. Kun kiekko on käsitelty yhden tyyppisellä epäpuhtaudella, se valmistetaan ligaatioon toisen tyypin kanssa - kiekon pinta peitetään jälleen oksidikerroksella, suoritetaan uusi fotolitografia ja syövytys, minkä seurauksena uudet "ikkunat" piistä avataan.

Tätä seuraa uusi ligaatio, esimerkiksi boorilla, p-tyypin johtavuuden saamiseksi. Joten p- ja n-alueet muodostuvat kiteen koko pinnalle oikeisiin paikkoihin. Eristys yksittäisten elementtien välille voidaan muodostaa monella tapaa: eristeenä voi toimia piioksidikerros tai oikeisiin paikkoihin voidaan luoda myös estäviä p-n-liitoksia.

Seuraava käsittelyvaihe liittyy johtavien kytkentöjen (johtavien linjojen) käyttöön integroidun piirin elementtien välillä sekä näiden elementtien ja koskettimien välillä ulkoisten piirien kytkemiseksi. Tätä varten substraatille ruiskutetaan ohut kerros alumiinia, joka laskeutuu ohuen kalvon muodossa. Se altistetaan fotolitografiselle käsittelylle ja syövytykselle, joka on samanlainen kuin edellä kuvatut. Tämän seurauksena koko metallikerroksesta jää vain ohuita johtavia viivoja ja kosketustyynyjä.

Lopuksi puolijohdesirun koko pinta peitetään suojakerroksella (useimmiten silikaattilasi), joka sitten poistetaan kosketintyynyistä. Kaikki valmistetut mikropiirit testataan tiukimmin ohjaus- ja testipenkissä. Vialliset piirit on merkitty punaisella pisteellä. Lopuksi kide leikataan yksittäisiksi sirulevyiksi, joista jokainen on suljettu kestävään koteloon, jossa on johdot liittämistä varten ulkoisiin piireihin.

Integroidun piirin monimutkaisuutta luonnehtii indikaattori, jota kutsutaan integraatioasteeksi. Integroituja piirejä, joissa on yli 100 elementtiä, kutsutaan matalaintegraatiopiireiksi; piirit, jotka sisältävät enintään 1000 elementtiä - integroidut piirit, joiden integrointiaste on keskitasoa; jopa kymmeniä tuhansia elementtejä sisältäviä piirejä kutsutaan suuriksi integroiduiksi piireiksi. Piirejä, jotka sisältävät jopa miljoona elementtiä, valmistetaan jo (niitä kutsutaan erittäin suuriksi). Integraation asteittainen lisääntyminen on johtanut siihen, että vuosi vuodelta järjestelmät muuttuvat yhä pienemmiksi ja vastaavasti yhä monimutkaisemmiksi.

Suuri määrä elektroniset laitteet, jolla oli aiemmin suuret mitat, mahtuu nyt pienelle piikiekolle. Äärimmäisen tärkeä tapahtuma tällä tiellä oli amerikkalaisen Intelin vuonna 1971 tekemä yksi integroitu piiri aritmeettisten ja loogisten toimintojen suorittamiseen - mikroprosessorin. Tämä merkitsi suurenmoista mikroelektroniikan läpimurtoa tietotekniikan alalle.

Lue ja kirjoita hyödyllinen