Integroidun piirilevyn luomisen historia. sarja mikropiirejä. IC:iden ja testipiirien toiminnallinen ohjaus

Johdanto

Ensimmäisten tietokoneiden ilmestymisen jälkeen ohjelmistokehittäjät ovat haaveilleet laitteistosta, joka on suunniteltu ratkaisemaan heidän ongelmansa. Siksi ajatus erityisten integroitujen piirien luomisesta, joita voidaan teroittaa tietyn tehtävän tehokkaaseen toteuttamiseen, on ilmestynyt jo kauan sitten. Tässä on kaksi kehityspolkua:

• Ns. erikoistuneiden räätälöityjen integroitujen piirien käyttö (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Kuten nimestä voi päätellä, valmistajat valmistavat tällaisia ​​mikropiirejä laitteisto tietyn tehtävän tai tehtäväalueen tehokkaan täytäntöönpanon mukaisesti. Niillä ei ole universaalisuutta, kuten perinteisillä mikropiireillä, mutta ne ratkaisevat niille osoitetut tehtävät monta kertaa nopeammin, joskus suuruusluokittain.
• Sirujen luominen uudelleenkonfiguroitavalla arkkitehtuurilla. Ajatuksena on, että tällaiset sirut tulevat ohjelmistokehittäjälle tai käyttäjälle ohjelmoimattomassa tilassa ja hän voi toteuttaa niille itselleen parhaiten sopivan arkkitehtuurin. Katsotaanpa tarkemmin niiden kehitysprosessia.

Ajan myötä ilmestyi suuri määrä erilaisia ​​mikropiirejä uudelleenkonfiguroitavalla arkkitehtuurilla (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 tehtävien ratkaisemiseen tarvittavat toiminnot täydellisen disjunktiivin muodossa normaali muoto(täydellinen DNF). Ensimmäiset vuonna 1970 ilmestyivät PROM-mikropiirit, jotka kuuluvat nimenomaan PLD-laitteiden luokkaan. Jokaisessa piirissä oli kiinteä JA-logiikkafunktioiden joukko, joka oli kytketty ohjelmoitaviin TAI-logiikkatoimintoihin. Tarkastellaan esimerkiksi PROM-laitetta, jossa on 3 tuloa (a,b ja c) ja 3 lähtöä (w,x ja y) (kuva 2).

Riisi. 2. PROM-siru

Ennalta määritellyn taulukon AND avulla toteutetaan kaikki mahdolliset konjunktiot syöttömuuttujiin, joita voidaan sitten mielivaltaisesti yhdistää OR-elementeillä. Siten lähdössä mikä tahansa kolmen muuttujan funktio voidaan toteuttaa täydellisenä DNF:nä. Jos esimerkiksi ohjelmoit ne TAI-elementit, jotka on ympyröity punaisella kuvassa 2, tulosteet ovat funktioita w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Alun perin PROM-sirut suunniteltiin tallentamaan ohjelmakäskyjä ja vakioarvoja, ts. suorittaa tietokoneen muistin toimintoja. Kehittäjät käyttävät niitä kuitenkin myös yksinkertaisten logiikkatoimintojen toteuttamiseen. Itse asiassa sirun PROM:ia voidaan käyttää minkä tahansa logiikkalohkon toteuttamiseen, kunhan siinä on pieni määrä tuloja. Tämä ehto seuraa siitä tosiasiasta, että elementtien AND matriisi on tiukasti määritelty EPROM-mikropiireissä - siinä toteutuvat kaikki mahdolliset konjunktiot tuloista, eli elementtien AND määrä on yhtä suuri kuin 2 * 2 n, missä n on luku tuloista. On selvää, että luvun n kasvaessa taulukon koko kasvaa hyvin nopeasti.

Seuraavaksi vuonna 1975 ilmestyivät niin sanotut ohjelmoitavat logiikkataulukot (PLM). Ne ovat jatkoa PROM-mikropiirien idealle - PLA koostuu myös AND- ja OR-taulukoista, mutta toisin kuin PROM, molemmat taulukot ovat ohjelmoitavia. Tämä mahdollistaa suuremman joustavuuden tällaisissa mikropiireissä, mutta ne eivät ole koskaan olleet yleisiä, koska signaalien kulkeminen ohjelmoitavien yhteyksien kautta kestää paljon kauemmin kuin ennalta määritettyjen vastineidensa kautta.

PLA:n nopeusongelman ratkaisemiseksi 1970-luvun lopulla ilmestyi seuraava laiteluokka, nimeltään Programmable Array Logic (PAL - Programmable Array Logic). PAL-sirujen idean jatkokehitys oli GAL (Generic Array Logic) -laitteiden ilmestyminen - monimutkaisempia PAL-lajikkeita käyttämällä CMOS-transistoreita. Tässä käytetään ideaa, joka on täsmälleen päinvastainen kuin PROM-mikropiirien idea - ohjelmoitava JA-elementtien ryhmä on kytketty ennalta määritettyyn OR-elementtien joukkoon (kuva 3).

Riisi. 3. Ohjelmoimaton PAL-laite

Tämä asettaa rajoituksia toimivuudelle, mutta tällaiset laitteet vaativat paljon pienempiä ryhmiä kuin PROM-mikropiireissä.

Yksinkertaisten PLD:iden looginen jatko 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 kytkentämatriisilla. Ensimmäiset monimutkaiset PLD:t ilmestyivät 1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa, mutta suurin kehitys tähän suuntaan tapahtui vuonna 1984, kun Altera esitteli monimutkaisen PLD:n, joka perustuu CMOS- ja EPROM-tekniikoiden yhdistelmään.

FPGA:n tulo

1980-luvun alussa digitaalisen ASIC-ympäristön päälaitteiden välillä oli kuilu. Toisaalta oli 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, vaikka ne ovat pitkiä 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 toimintoja ei toteuteta DNF:n, vaan ohjelmoitavien hakutaulukoiden (LUT-taulukoiden) avulla. Näissä taulukoissa funktioarvot määritetään totuustaulukolla, josta valitaan haluttu tulos multiplekserin avulla (kuva 4):

Riisi. 4. Kirjeenvaihtotaulukko

Jokainen FPGA-laite koostuu ohjelmoitavista logiikkalohkoista (Configurable Logic Blocks - CLB), jotka on yhdistetty toisiinsa yhteyksillä, myös ohjelmoitavissa. Jokainen tällainen lohko on tarkoitettu jonkin 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-taulukon, yhden kiikun ja pienen määrän apuelementtejä. Nykyaikaiset FPGA-laitteet ovat paljon monimutkaisempia: jokainen CLB-lohko koostuu 1-4 "viipaleesta" (slice), joista jokainen sisältää useita LUT-taulukoita (yleensä 6 tuloa), useita triggereitä ja suuren määrän palveluelementtejä. Tässä on esimerkki modernista "leikkauksesta":

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 portista (ensimmäinen FPGA, kehitetty vuonna 1985) Tämä hetki yli 10 miljoonaa venttiiliä (Virtex-6-perhe). He kehittävät aktiivisesti ja korvaavat jo ASIC-siruja, jolloin voit toteuttaa useita erittäin monimutkaisia ​​toimintoja menettämättäta.

Nyt vielä vähemmän edistynyt Kännykätälä tee ilman mikroprosessoria, mitä voimme sanoa tabletista, kannettavasta ja pöytätietokoneesta henkilökohtaiset tietokoneet. Mikä on mikroprosessori ja miten sen luomishistoria kehittyi? Selkeällä kielellä puhuen mikroprosessori on monimutkaisempi ja monikäyttöisempi integroitu piiri.

Mikropiirin (integroidun piirin) historia alkaa vuodesta 1958 lähtien, kun amerikkalaisen Texas Instrumentsin työntekijä Jack Kilby keksi eräänlaisen puolijohdelaitteen, joka sisältää useita johtimilla yhdistettyjä transistoreita samassa paketissa. Ensimmäinen mikropiiri - mikroprosessorin kanta - sisälsi vain 6 transistoria ja oli ohut germaniumlevy, johon oli kiinnitetty kullasta tehtyjä raitoja. Kaikki tämä sijaitsi lasisubstraatilla. Vertailun vuoksi tänään lasku menee yksiköihin ja jopa kymmeniin miljooniin puolijohdeelementteihin.

Vuoteen 1970 mennessä melko monet valmistajat olivat mukana kehittämässä ja luomassa eri kapasiteetin ja eri toiminnallisia piirejä. Mutta tätä vuotta voidaan pitää ensimmäisen mikroprosessorin syntymäpäivänä. Tänä vuonna Intel loi 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 laskinvalmistaja Busicom tilasi samat Intel 12 -sirut eri toiminnallisilla suuntauksilla. 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 sen ohjauslähdöille annetuista komennoista riippuen.

Jo vuoden kuluttua vuonna 1971 Intel julkaisee ensimmäisen 4-bittisen mikroprosessorin, koodinimeltään 4004. Ensimmäiseen 6-transistorin siruun verrattuna se sisälsi jopa 2,3 tuhatta puolijohdeelementtiä ja suoritti 60 tuhatta operaatiota sekunnissa. Tuolloin se oli valtava läpimurto mikroelektroniikan alalla. 4-bittinen tarkoitti, että 4004 pystyi käsittelemään 4-bittistä dataa kerralla. Vielä kaksi vuotta myöhemmin vuonna 1973 yritys valmistaa 8-bittistä prosessoria 8008, joka jo toimi 8-bittisen datan 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 laski yhden tiilistä

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 virtalähteiden jännitteet, ne on sovitettu tulo- ja lähtöresistanssien, signaalitasojen suhteen.

1. Corps

Mikropiirejä valmistetaan kahdessa rakentavassa versiossa - pakattuna ja pakkaamattomana.

Mikropiirikotelo on kantojärjestelmä ja osa rakennetta, joka on suunniteltu suojaamaan ulkoisilta vaikutuksilta ja liittämään sähköisesti ulkoisiin piireihin johtojen avulla. Kotelot on standardoitu valmiiden tuotteiden valmistustekniikan yksinkertaistamiseksi.

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

1. Tietyt otsikot

Intel valmisti ensimmäisenä mikroprosessorin (englanniksi mikroprosessorin) toimintoja suorittavan sirun - Intel 4004. Parannettujen 8088- ja 8086-mikroprosessorien perusteella IBM julkaisi tunnetut henkilökohtaiset tietokoneensa)

Mikroprosessori muodostaa tietokoneen ytimen, lisätoiminnot, kuten viestintä oheislaitteiden kanssa, suoritettiin käyttämällä erityisesti suunniteltuja piirisarjoja. Ensimmäisten tietokoneiden osalta mikropiirien lukumäärä sarjoissa laskettiin kymmenissä ja sadoissa, nykyaikaiset järjestelmät tämä on yhden, kahden tai kolmen pelimerkin sarja. Viime aikoina on ollut suuntauksia piirisarjan toimintojen (muistiohjain, PSI Express -väyläohjain) asteittaisesta siirtämisestä prosessorille.

Mikroprosessoreja, 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 tilallinen ja geometrinen järjestely materiaalialustalle kiinnitettynä (Venäjän federaation siviililain 1448 artikla).

Topologian yksinoikeus on voimassa kymmenen vuotta. Oikeudenhaltija voi rekisteröidä topologian liittovaltion henkisen omaisuuden, patenttien ja tavaramerkkien palvelukseen tämän ajan kuluessa.

1. Luomisen historia

7. toukokuuta 1952 brittiläinen radioinsinööri Geoffrey Dummer esitti ensimmäisen kerran ajatuksen useiden standardien elektronisten komponenttien integroimisesta monoliittiseen puolijohdekiteeseen, ja vuotta myöhemmin Harvick 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 henkilöä, jotka edustivat kolmea yksityistä amerikkalaista yritystä, ratkaisivat kolme perusongelmaa, jotka estivät integroitujen piirien luomisen. Jack Kilby Texas Instrumentsista patentoi integraatioperiaatteen, loi ensimmäiset, epätäydelliset, IC-prototyypit ja toi ne massatuotantoon. Kurt Lehovec Sprague Electric Companysta keksi menetelmän yhdelle puolijohdesirulle muodostettujen komponenttien sähköiseksi eristämiseksi (p-n-liitoseristys). Robert Noyce Fairchild Semiconductorista keksi menetelmän IC-komponenttien kytkemiseksi sähköisesti (alumiinipinnoitus) ja ehdotti parannettua versiota komponenttien eristyksestä, joka perustuu Jean Ernien uusimpaan tasotekniikkaan. 27. syyskuuta 1960 Jay Lastin ryhmä loi ensimmäisen toimivan puolijohde IP Noycen ja Ernien ideoista. Texas Instruments, joka omisti patentin Kilbyn keksinnölle, käynnisti patenttisodan kilpailijoita vastaan, joka päättyi vuonna 1966 teknologian ristiinlisensointia koskevaan sovintosopimukseen.

Mainitun sarjan varhaiset logiikkapiirit rakennettiin kirjaimellisesti standardi komponentit, joiden mitat ja kokoonpanot on määritelty teknologisessa prosessissa. Piiri-insinöörit, jotka suunnittelivat tietyn perheen logiikkapiirit, käyttivät samoja tyypillisiä diodeja ja transistoreja. Vuosina 1961-1962 Sylvanian johtava kehittäjä Tom Longo mursi suunnitteluparadigman ensimmäistä kertaa yhdessä IC:ssä. eri transistorien kokoonpano riippuen niiden toiminnoista piirissä. Vuoden 1962 lopussa Sylvania lanseerasi Longon kehittämän ensimmäisen transistori-transistorilogiikan (TTL) -perheen – historiallisesti ensimmäisen integroidun logiikan tyypin, joka onnistui saamaan pysyvän jalansijan markkinoilla. Analogisissa piireissä tämän tason läpimurron teki vuosina 1964-1965 Fairchild-operaatiovahvistimien kehittäjä Bob Widlar.

Neuvostoliiton ensimmäinen integroitu puolijohdepiiri luotiin NII-35:ssä (silloin nimellä Pulsar Research Institute) vuoden 1960 alussa NII-35:ssä kehitetyn tasoteknologian pohjalta, jonka teki myöhemmin NIIME:hen (Mikron) siirretty ryhmä. Ensimmäisen kotimaisen piiintegroidun piirin luominen keskittyi integroitujen piipiirien TC-100 sarjan (37 elementtiä - vastaa liipaisimen piirin monimutkaisuutta, amerikkalaisen IC-sarjan analogi) kehittämiseen ja tuotantoon sotilaallisella hyväksynnällä. SN-51 Texas Instrumentsilta). Pii-integroitujen piirien prototyypit ja tuotantonäytteet toistoa varten hankittiin Yhdysvalloista. Työ tehtiin NII-35:ssä (johtaja Trutko) ja Fryazinsky Semiconductor Plantissa (johtaja Kolmogorov) puolustusmääräyksen mukaisesti käytettäväksi ballististen ohjusten ohjausjärjestelmän autonomisessa korkeusmittarissa. Kehitys sisälsi kuusi tyypillistä TS-100-sarjan integroitua piitasopiiriä, ja pilotituotannon järjestämisen kanssa kesti kolme vuotta NII-35:ssä (1962-1965). Kesti vielä kaksi vuotta hallita tehdastuotantoa sotilaallisella hyväksynnällä Fryazinossa (1967)

Ensimmäiset integroidut piirit

Omistettu virallisen päivämäärän 50-vuotispäivälle

B. Malaševitš

12. syyskuuta 1958 Texas Instrumentsin (TI) työntekijä Jack Kilby esitteli johdolle kolmea outoa laitetta – laitteita, jotka oli liimattu mehiläisvahalla lasisubstraatille kahdesta 11,1 × 1,6 mm:n kokoisesta piipalasta (kuva 1). Nämä olivat kolmiulotteisia asetteluja - 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 IS:n malli. Kuva: http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

1950-luvun lopulla radioelektronisten laitteiden (REA) kokoamistekniikka erillisistä elementeistä oli käyttänyt kaikki mahdollisuudet. Maailma joutui REA:n akuuteimpaan kriisiin, radikaaleja toimenpiteitä tarvittiin. Siihen mennessä integroidut teknologiat sekä puolijohdelaitteiden että paksu- ja ohutkalvokeraamisten levyjen valmistukseen oli jo teollisesti hallittu USA:ssa ja Neuvostoliitossa, eli edellytykset kriisin voittamiseksi olivat kypsiä luomalla monielementti. vakiotuotteet - integroidut piirit.

Integroidut piirit (mikropiirit, IC:t) sisältävät vaihtelevan monimutkaisuuden elektronisia laitteita, joissa kaikki samantyyppiset elementit valmistetaan samanaikaisesti yhdessä teknisessä syklissä, ts. integroidulla tekniikalla. 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 eri toiminnallisia tarkoituksia omaavia mikropiirejä, 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 luokitellaan korjauskelvottomiksi tuotteiksi, kun elektroniikkalaitteita korjataan, vialliset piirit vaihdetaan.

Integroituja piirejä on kaksi pääryhmää: hybridi ja puolijohde.

Hybridi-IC:issä (HIC) kaikki johtimet ja passiiviset elementit muodostetaan mikropiirisubstraatin (yleensä keramiikkaa) 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 useista kymmenistä useisiin tuhansiin IC:itä riippuen laitteen monimutkaisuudesta ja sen kiteen ja kiekon koosta. Teollisuus tuottaa puolijohde-IC:itä vakiopakkauksissa, yksittäisten sirujen tai jakamattomien kiekkojen muodossa.

Hybridimaailman (GIS) ja puolijohdepiirien maailma ilmeni eri tavoin. GIS on mikromoduulien ja keraamisten levyjen teknologian kehitystyön tuote. Siksi ne ilmestyivät huomaamattomasti, GIS:llä ei ole yleisesti hyväksyttyä syntymäaikaa ja yleisesti tunnustettua kirjailijaa. Puolijohde-IC:t olivat luonnollinen ja väistämätön seuraus puolijohdeteknologian kehityksestä, mutta se vaati uusien ideoiden luomista ja uusien teknologioiden 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 valmistuksessa yhdistyvät passiivisten elementtien valmistukseen tarkoitettu integroitu tekniikka yksittäiseen (manuaaliseen tai automatisoituun) aktiivisten elementtien asennus- ja asennustekniikkaan.

1940-luvun lopulla yhdysvaltalainen Centralab-yritys kehitti paksukalvokeramiikkapohjaisten piirilevyjen valmistuksen perusperiaatteet, jotka sitten kehittelivät muut yritykset. Se perustui piirilevyjen ja keraamisten kondensaattoreiden valmistusteknologioihin. Painetuista piirilevyistä he ottivat kiinteän tekniikan kytkentäjohtimien topologian muodostamiseksi - silkkipainatuksen. Kondensaattoreista - substraattimateriaali (keramiikka, useammin sitaali), samoin kuin tahnamateriaalit ja lämpötekniikka niiden kiinnittämiseksi alustalle.

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

Paksukalvoteknologiaan verrattuna ohutkalvotekniikka tarjosi mahdollisuuden pienempien topologiaelementtien tarkempaan valmistukseen, mutta vaati monimutkaisempia ja kalliimpia laitteita. Paksukalvo- tai ohutkalvoteknologialla keraamisille levyille valmistettuja laitteita kutsutaan "hybridipiireiksi". Hybridipiirejä valmistettiin oman tuotannon komponentteina, niiden suunnittelu, mitat ja toiminnallinen tarkoitus olivat eri valmistajilla erilaisia, ne eivät päässeet vapaille markkinoille ja ovat siksi vähän tunnettuja.

Hybridipiirit tunkeutuivat myös mikromoduuleihin. Aluksi he käyttivät erillisiä passiivisia ja aktiivisia miniatyyrielementtejä yhdistettynä perinteiseen painettuun johdotukseen. Kokoonpanotekniikka oli monimutkaista, ja siinä oli valtava osuus käsityöstä. Siksi mikromoduulit olivat erittäin kalliita, niiden käyttö rajoittui sisäisiin laitteisiin. Sitten käytettiin paksukalvoisia miniatyyrikeraamisia huiveja. Myöhemmin paksukalvotekniikka alkoi tuottaa vastuksia. Mutta diodeja ja transistoreita käytettiin edelleen erillisinä, yksittäin pakattuna.

Mikromoduulista tuli hybridi-integroitu piiri sillä hetkellä, kun siinä käytettiin pakkauksettomia transistoreja ja diodeja ja rakenne suljettiin yhteiseen koteloon. Tämä mahdollisti merkittävästi niiden kokoonpanoprosessin automatisoinnin, hintojen jyrkän alentamisen ja soveltamisalan laajentamisen. Passiivisten elementtien muodostusmenetelmän mukaan 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 massatuotannon. Näissä paikkatietojärjestelmissä aktiivisina elementteinä käytettiin puolijohde-IC:itä R12-2, jotka Riian puolijohdetehdas kehitti vuonna 1962. Koska näiden IC:iden luomishistoriat ja niiden ominaisuudet ovat erottamattomat, tarkastelemme niitä yhdessä P12-2-osiossa.

Kvant-moduulit olivat epäilemättä ensimmäiset GIS-maailmassa kaksitasoisella integraatiolla - aktiivisina elementteinä ne eivät käyttäneet diskreettejä kehyksettömiä transistoreita, vaan puolijohde-IC:itä. Todennäköisesti ne olivat maailman ensimmäiset GIS-järjestelmät - rakenteellisesti ja toiminnallisesti täydellisiä monielementtituotteita, jotka toimitettiin kuluttajille itsenäisinä kaupallisina tuotteina. Varhaisimmat tekijän tunnistamat ulkomaiset vastaavat tuotteet ovat alla kuvatut IBM 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-sovellus Neuvostoliiton ulkopuolella, kirjoittaja ei löytänyt aikaisempia esimerkkejä.

Asiantuntijapiireissä jo tuolloin tunnetut Fairchildin Micrologic-sarjan ja TI:n SN-51 (puhumme niistä alla) puolijohdepiirit olivat vielä saavuttamattoman harvinaisia ​​ja kohtuuttoman kalliita kaupalliseen käyttöön, mikä oli keskustietokoneen rakentaminen. Siksi IBM Corporation, joka otti pohjana litteän mikromoduulin suunnittelun, kehitti oman sarjansa paksukalvoisia GIS-järjestelmiä, jotka julkistettiin yleisnimellä (toisin kuin "mikromoduuleilla") - "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 "kokonaisia". Siksi käytimme epästandardista käännöstä venäjäksi: Solid Logic Technology - solid logic technology).

SLT-moduuli oli puolen tuuman neliömäinen paksukalvokeraaminen mikrolevy, jossa oli sisään painetut pystytapit. Liitosjohtimet ja vastukset levitettiin sen pinnalle silkkipainatuksella (toteutetun laitteen kaavion mukaan) ja pakkauksettomat transistorit asennettiin. Kondensaattorit asennettiin tarvittaessa SLT-moduulin viereen laitekortille. Ulkoisilla lähes identtisillä (mikromoduulit ovat hieman korkeammat, kuva 2.) SLT-moduulit eroavat litteistä mikromoduuleista suuremmalla elementtitiheydellä, alhaisella virrankulutuksella, suurella nopeudella ja korkealla luotettavuudella. Lisäksi SLT-tekniikka oli melko helppo automatisoida, joten niitä voitiin valmistaa suuria määriä riittävän alhaisilla kustannuksilla käytettäväksi kaupallisissa laitteissa. Juuri tätä IBM tarvitsi. Yritys rakensi automatisoidun tehtaan East Fishkilliin lähellä New Yorkia valmistamaan SLT-moduuleja, joita valmistettiin miljoonia kappaleita.

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

IBM:n jälkeen GIS:tä alkoivat tuottaa muut yritykset, joille GIS:stä tuli kaupallinen tuote. IBM Corporationin litteiden mikromoduulien ja SLT-moduulien tyypillisestä suunnittelusta on tullut yksi hybridi-IC:iden standardeista.

Ensimmäiset puolijohdepiirit

1950-luvun loppuun mennessä teollisuudella oli hyvät mahdollisuudet tuottaa halpoja elektronisia komponentteja. Mutta jos transistorit tai diodit valmistettiin germaniumista ja piistä, niin vastukset ja kondensaattorit valmistettiin 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. Tällaisen päättelyn perusteella hybriditeknologian kannattajat pitivät sitä yleisenä suunnana mikroelektroniikan kehityksessä.

Mutta kaikki eivät jakaneet tätä mielipidettä. Tosiasia on, että jo tuolloin luodut mesa-transistorit ja erityisesti tasotransistorit sovitettiin eräkäsittelyyn, jossa suoritettiin useita toimintoja useiden transistorien valmistamiseksi yhdelle substraattilevylle. Eli monta transistoria valmistettiin kerralla yhdelle puolijohdekiekolle. Sitten levy leikattiin yksittäisiksi transistoreiksi, jotka sijoitettiin yksittäisiin tapauksiin. Ja sitten laitevalmistaja yhdisti transistorit yhteen painettu piirilevy. Jotkut pitivät tätä lähestymistapaa naurettavana - miksi irrottaa transistorit ja yhdistää 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. Se osoitti, että usein ei riitä pelkkä ilmoittaminen, kuten tässä tapauksessa. Ajatus IC:stä julkistettiin jo vuonna 1952, ennen puolijohdelaitteiden valmistuserämenetelmien tuloa. Päällä vuosikokous on Electronic Components, joka pidettiin Washington DC:ssä, Britannian kuninkaallisen tutkatoimiston Malvernissa, Geoffrey Dummer esitteli raportin tutkalaitteiden komponenttien luotettavuudesta. Raportissa hän antoi profeetallisen lausunnon: " Transistorin ja puolijohdetekniikan alalla tapahtuvan työn myötä voidaan yleensä kuvitella elektronisia laitteita kiinteän lohkon muodossa, joka ei sisällä kytkentäjohtoja. Lohko voi koostua kerroksista eristäviä, johtavia, tasasuuntaavia ja vahvistavia materiaaleja, joista tietyt alueet on leikattu pois, jotta ne voivat suorittaa suoraan sähköisiä toimintoja.. Mutta tämä ennustus jäi asiantuntijoiden huomaamatta. He muistivat sen vasta ensimmäisten puolijohdepiirien ilmestymisen jälkeen, toisin sanoen kauan julkistetun idean käytännön todistuksen jälkeen. Jonkun piti olla ensimmäinen, joka muotoili uudelleen ja toteuttaa idean puolijohde-IC:stä.

Kuten transistorin tapauksessa, yleisesti hyväksytyillä puolijohdepiirin rakentajilla oli enemmän tai vähemmän onnistuneita edeltäjiä. Dammer itse yritti toteuttaa ideaansa vuonna 1956, mutta se epäonnistui. Vuonna 1953 RCA:n Harvick Johnson sai patentin yksisiruiselle oskillaattorille, ja vuonna 1958 yhdessä Thorkel Wallmarkin kanssa julkaistiin "integroidun puolijohdelaitteen" käsite. Vuonna 1956 Bell Labsin työntekijä Ross teki binäärilaskuripiirin käyttämällä perusta n-p-n-p rakenteet yksittäisessä kiteessä. Vuonna 1957 japanilaisen MITI-yrityksen Yasuro Taru sai patentin erilaisten transistorien yhdistämiseen yhdeksi siruksi. 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.

Jo mainitut Jack Kilby Texas Instrumentsista (TI), Robert Noyce Fairchildistä (molemmat Yhdysvalloista) ja Juri Valentinovich Osokin Riga Semiconductor Devices Plant (neuvostoliitto) suunnittelutoimistosta osoittautuivat onnekkaaksi. Amerikkalaiset loivat kokeellisia malleja integroiduista piireistä: J. Kilby - malli generaattorin IC:stä (1958) ja sitten mesa-transistorilaukaisu (1961), R. Noyce - tasoteknologian laukaisu (1961) ja Yu. Osokin - looginen IC "2NOT-OR" Saksassa, joka otettiin välittömästi sarjatuotantoon (1962). Nämä yritykset aloittivat IC:iden sarjatuotannon lähes samanaikaisesti, vuonna 1962.

Ensimmäiset puolijohdepiirit Yhdysvalloissa

IP Jack Kilby. IS-sarja" SN-51"

Vuonna 1958 J. Kilby (pioneeri transistorien käytössä Kuulolaitteet) muutti Texas Instrumentsille. Uusi tulokas Kilby piiriinsinöörinä "heitettiin" parantamaan rakettien mikromoduulitäyttöä luomalla vaihtoehto mikromoduuleille. Harkittiin mahdollisuutta koota lohkoja osista vakiomuotoinen, samanlainen kuin lelumallien kokoaminen LEGO-hahmoista. Mutta Kilbyä kiehtoi jokin muu. "Fresh look" -efektillä oli ratkaiseva rooli: ensinnäkin hän totesi heti, että mikromoduulit ovat umpikuja, ja toiseksi mesarakenteita ihaillen hän tuli siihen tulokseen, että piiri pitäisi (ja voidaan) toteuttaa yhdestä materiaalista. - puolijohde. Kilby oli tietoinen Dummerin ideasta ja epäonnistumisesta sen toteuttamisessa vuonna 1956. Analysoituaan hän ymmärsi epäonnistumisen syyn ja löysi tavan voittaa se. " Minun ansioni on, että ottamalla tämän idean muutin sen todeksi.", sanoi J. Kilby myöhemmin Nobel-puheessaan.

Koska hän ei ollut vielä ansainnut oikeutta lähteä, hän työskenteli häiritsemättä laboratoriossa 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-piirin suunnittelussa kaikkien elementtien on oltava piitä, ja vastuksissa käytetään piin tilavuusvastusta ja kondensaattoreita - p-n-liitosten kapasitanssit". "Ajatus monoliitista" kohtasi alentuvan ironisen asenteen Texas Instrumentsin johdolta, 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 11,1 x 1,6 mm:n kokoisesta germaniumpalasta, jotka liimattiin mehiläisvahalla lasialustalle ja jotka sisälsivät kahdenlaisia ​​diffuusioalueita (kuva 1). Hän käytti näitä alueita ja käytettävissä olevia koskettimia generaattoripiirin luomiseen, joka liitti elementit ohuilla kultalangoilla, joiden halkaisija on 100 mikronia lämpöpuristushitsauksella. Yhdeltä alueelta luotiin mestransistori, toiselta RC-ketju. Kootut kolme generaattoria esiteltiin yhtiön johdolle. Kun virta oli kytketty, ne toimivat 1,3 MHz taajuudella. Se tapahtui 12. syyskuuta 1958. Viikkoa myöhemmin Kilby teki vahvistimen samalla tavalla. Mutta nämä eivät vielä olleet integroituja rakenteita, ne olivat puolijohde-IC:iden kolmiulotteisia asetteluja, jotka todistavat ajatuksen valmistaa kaikki piirielementit yhdestä materiaalista - puolijohteesta.

Riisi. 3. Tyyppi 502 laukaisu J. Kilby. Kuva: http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Kilbyn ensimmäinen todella integroitu piiri, joka tehtiin yhdestä monoliittisesta germaniumista, oli tyypin 502 kokeellinen laukaisupiiri (kuva 3). Se käytti sekä germaniumin bulkkiresistanssia että p-n-liitoksen kapasitanssia. Sen esittely pidettiin maaliskuussa 1959. Pieni määrä tällaisia ​​IC:itä valmistettiin laboratoriossa ja niitä myytiin kapeassa ympyrässä hintaan 450 dollaria. IC sisälsi kuusi elementtiä: neljä mesa-transistoria ja kaksi vastusta, jotka oli sijoitettu halkaisijaltaan 1 cm:n piikiekolle. Mutta Kilby IC:ssä oli vakava haittapuoli - mesa-transistorit, jotka mikroskooppisten "aktiivisten" pylväiden muodossa kohosivat yläpuolelle loput, "passiivinen" osa kristallia. Mesa-pilarien 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 - lanka katkeaa tai sulkeutuu uudelleen. Kyllä, ja germaniumia pidettiin jo tuolloin lupaamattomana materiaalina. Läpimurto ei tapahtunut.

Tähän mennessä Fairchildissä oli kehitetty tasomaista piitekniikkaa. Kaiken tämän huomioon ottaen Texas Instrumentsin täytyi jättää kaikki Kilbyn tekemät syrjään ja edetä ilman Kilbyä sarjan IC:itä, jotka perustuvat tasomaiseen piiteknologiaan. Lokakuussa 1961 yritys ilmoitti SN-51-tyyppisten IC-sarjan luomisesta, ja vuodesta 1962 lähtien se aloitti niiden massatuotannon ja -toimituksen Yhdysvaltain puolustusministeriön ja NASA:n edun mukaisesti.

IP Robert Noyce. IS-sarja"Micrologic”

Vuonna 1957 risteystransistorin keksijä W. Shockley jätti useista syistä kahdeksan nuoren insinöörin ryhmän, joka halusi yrittää toteuttaa omia ideoitaan. "Kahdeksan petturia", kuten Shockley kutsui heitä R. Noycen ja G. Mooren johtamana, perustivat Fairchild Semiconductorin ("kaunis lapsi"). Yritystä johti Robert Noyce, hän oli silloin 23-vuotias.

Vuoden 1958 lopussa fyysikko D. Horney, joka työskenteli Fairchild Semiconductorissa, kehitti tasomaisen teknologian transistorien valmistukseen. Ja tšekkiläinen fyysikko Kurt Lehovek, joka työskenteli Sprague Electricissä, kehitti tekniikan käänteisen n-p-liitoksen käyttämiseksi komponenttien sähköiseen eristämiseen. Vuonna 1959 Robert Noyce, kuultuaan Kilbyn IC-asettelusta, päätti yrittää rakentaa integroidun piirin yhdistämällä Horneyn ja Lehovekin ehdottamat prosessit. Ja yhteenliitäntöjen "karvaisen teknologian" sijasta Noyce ehdotti ohuen metallikerroksen valikoivaa kerrostamista piidioksidieristettyjen puolijohderakenteiden päälle yhdistämällä elementtien koskettimiin eristyskerrokseen jätettyjen reikien kautta. Tämä mahdollisti aktiivisten elementtien "upottamisen" puolijohteen runkoon eristämällä ne piioksidilla ja sitten yhdistämällä nämä elementit sputteroiduilla alumiini- tai kultaradoilla, jotka on luotu fotolitografia-, metallointi- ja syövytysprosesseilla viimeisessä vaiheessa. tuotteiden valmistus. Siten saatiin todella "monoliittinen" vaihtoehto komponenttien yhdistämiseksi yhdeksi piiriksi, ja uutta tekniikkaa kutsuttiin "tasomaiseksi". Mutta ensin ideaa piti testata.

Riisi. 4. Kokeellinen laukaisu R. Noyce. Kuva: http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

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

Elokuussa 1959 R. Noyce käski Joey Lastia suunnittelemaan IC:n muunnelman, joka perustuu tasotekniikkaan. Ensin, kuten Kilby, he tekivät laukaisuasetelman useille piikiteille, joihin tehtiin 4 transistoria ja 5 vastusta. Sitten 26. toukokuuta 1960 valmistettiin ensimmäinen yksisiruinen liipaisin. Eristääksesi siinä olevat elementit kääntöpuoli piikiekkoon syövytettiin syviä uria, jotka oli täytetty epoksihartsilla. Syyskuun 27. päivänä 1960 tehtiin laukaisimen kolmas versio (kuva 4), jossa elementit eristettiin taaksepäin kytketyllä p - n -liitoksella.

Siihen asti Fairchild Semiconductor oli käsitellyt vain transistoreja; sillä ei ollut piiriinsinöörejä luomaan puolijohdepiiriä. Siksi Robert Norman Sperry Gyroscopesta kutsuttiin piirien suunnittelijaksi. Norman tunsi vastus-transistorilogiikkaa, jonka yritys hänen ehdotuksestaan ​​valitsi tulevaisuuden Micrologic IC -sarjansa perustaksi, joka löysi ensimmäisen sovelluksensa Minuteman-rakettilaitteistossa. Maaliskuussa 1961 Fairchild julkisti tämän sarjan ensimmäisen kokeellisen IC:n (F-flip-flop, joka sisältää kuusi elementtiä: neljä bipolaaritransistoria ja kaksi vastusta 1 cm:n levylle) julkaisemalla valokuvansa (kuva 5) -lehteä elämää(päivätty 10. maaliskuuta 1961). Lokakuussa julkistettiin vielä viisi IC: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 pitäisi olla pienempi kuin transistoreilla (koska se sisältää useita transistoreita), joille se ei ollut silloin suurempi kuin 15%. Toiseksi monet uskoivat, että integroidut piirit käyttivät 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 epäonnistui. Kaikki epäilykset hävisivät vähitellen, kun integroituja piirejä käytettiin menestyksekkäästi Yhdysvaltain armeija- ja avaruusohjelmissa.

Yksi Fairchild Semiconductorin perustajista, G. Moore, muotoili piimikroelektroniikan kehittämisen peruslain, jonka mukaan transistorien määrä integroidussa piirissä kaksinkertaistui joka vuosi. Tämä "Mooren laiksi" kutsuttu laki toimi melko hyvin 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 prosessi, jossa syntyi yksinomaan "tason alle" suuntautuneita yrityksiä, jotka joskus ylsivät siihen pisteeseen, että tusinaa yritystä rekisteröitiin viikossa. Veteraaneja tavoittelemassa (W. Shockleyn ja R. Noycen yritykset) sekä verokannustimien ja Stanfordin yliopiston palvelun ansiosta "uudet tulokkaat" ryhmittyivät pääasiassa Santa Claran laaksoon (Kalifornia). Siksi ei ole yllättävää, että vuonna 1971 teknisiä innovaatioita popularisoivan toimittajan Don Hoflerin kevyellä kädellä liikkeelle tuli romanttinen-teknogeeninen kuva "Piilaaksosta", josta tuli ikuisesti synonyymi puolijohdeteknologian Mekka. vallankumous. Muuten, sillä alueella on todellakin laakso, joka oli aiemmin kuuluisa lukuisista aprikoosi-, kirsikka- ja luumutarhoistaan ​​ja jolla oli erilainen, miellyttävämpi nimi ennen Shockleyn ilmestymistä siihen - Sydämen ilon laakso, nyt valitettavasti melkein melkein unohdettu.

Vuonna 1962 Yhdysvalloissa aloitettiin integroitujen piirien massatuotanto, vaikka niiden toimitusmäärä asiakkaille oli vain muutama tuhat. Voimakkain kannustin instrumentti- ja elektroniikkateollisuuden kehittymiselle uudelle pohjalle oli raketti- ja avaruusteknologia. Yhdysvalloilla ei tuolloin ollut yhtä tehokkaita mannertenvälisiä ballistisia ohjuksia kuin Neuvostoliiton ohjuksilla, ja panoksen lisäämiseksi ne pakotettiin vähentämään kantoaluksen massaa, ohjausjärjestelmät mukaan lukien, ottamalla käyttöön elektroniikkatekniikan viimeisimmät edistysaskeleet. Yritykset Texas Instrument ja Fairchild Semiconductor ovat allekirjoittaneet suuret sopimukset integroitujen piirien kehittämisestä ja valmistuksesta Yhdysvaltain puolustusministeriön ja NASA:n kanssa.

Ensimmäiset puolijohdepiirit Neuvostoliitossa

1950-luvun lopulla Neuvostoliiton teollisuus tarvitsi puolijohdediodeja ja -transistoreja niin paljon, että tarvittiin rajuja toimenpiteitä. Vuonna 1959 perustettiin puolijohdetehtaita Aleksandroviin, Brjanskiin, Voronežiin, Riikaan jne. Tammikuussa 1961 NKP:n keskuskomitea ja Neuvostoliiton ministerineuvosto antoivat toisen asetuksen "Puolijohdeteollisuuden kehittämisestä". joka edellytti tehtaiden ja tutkimuslaitosten rakentamista Kiovaan, Minskiin, Jerevaniin, Nalchikiin ja muihin kaupunkeihin.

Olemme kiinnostuneita yhdestä uusista tehtaista - edellä mainitusta Riga Semiconductor Plantista (RZPP, se muutti nimeään useita kertoja, yksinkertaisuuden vuoksi käytämme tunnetuinta, toimivaa ja nyt). Uudelle tehtaalle annettiin laukaisualustaksi rakenteilla oleva osuuskuntateknikon rakennus, jonka pinta-ala on 5300 m 2, ja samalla aloitettiin erikoisrakennuksen rakentaminen. Helmikuuhun 1960 mennessä tehtaalla oli jo perustettu 32 palvelua, 11 laboratoriota ja pilottituotanto, joka aloitettiin huhtikuussa valmistautumaan ensimmäisten instrumenttien tuotantoon. Tehdas työllisti jo 350 henkilöä, joista 260 lähetettiin vuoden aikana opiskelemaan Moskovan tutkimusinstituuttiin 35 (myöhemmin Pulsar Research Institute) ja Leningradin Svetlana-tehtaalle. Ja vuoden 1960 loppuun mennessä työntekijöiden määrä oli 1900 henkilöä. Aluksi teknologialinjat sijaitsivat Osuusteknikon talon uusitussa urheiluhallissa ja kokeellisen suunnittelutoimiston laboratoriot entisissä luokkahuoneissa. Ensimmäiset laitteet (NII-35:n kehittämät seosdiffuusio- ja muunnosgermaniumtransistorit P-401, P-403, P-601 ja P-602) valmistettiin tehtaalla 9 kuukautta sen luomistilauksen allekirjoittamisen jälkeen, v. Maaliskuu 1960. Ja heinäkuun loppuun mennessä hän tuotti ensimmäiset tuhat P-401-transistoria. Sitten hän hallitsi monia muita transistoreita ja diodeja tuotannossa. 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 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. Sitten aktiivisimmat pienikokoisten radiolaitteiden kehittäjät, joilla ei ollut omaa teknologista puolijohdepohjaa, etsivät tapoja luovaan vuorovaikutukseen vastaperustettujen puolijohdetehtaiden kanssa.

RZPP:ssä tehtiin aktiivista työtä P401- ja P403-tyyppisten germaniumtransistorien tuotannon automatisoimiseksi tehtaan luomaan Ausma-tuotantolinjaan perustuen. Sen pääsuunnittelija (GK) A.S. Gotman ehdotti, että germaniumpinnalle tehdään virtaa kuljettavia raitoja transistorielektrodeista kiteen kehälle, jotta transistorin johtimet hitsattaisiin helpommin kotelossa. Mutta mikä tärkeintä, näitä raitoja voitiin käyttää transistorin ulkoisina liittiminä, kun ne koottiin ilman pakettia levyille (sisältävät liitos- ja passiivielementit), juottamalla ne suoraan vastaaviin kosketinlevyihin (itse asiassa hybridi-IC:iden luomistekniikka). ehdotettiin). Ehdotettu menetelmä, jossa kiteen virtaa kuljettavat reitit ikään kuin suutelevat laudan kosketuslevyjä, sai alkuperäisen nimen - "suudelmatekniikka". Mutta useiden tuolloin ratkaisemattomiksi osoittautuneiden teknisten ongelmien vuoksi, jotka liittyivät pääasiassa painetun piirilevyn kontaktien saamisen tarkkuuteen, "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-on-board" -tekniikassa.

Siitä huolimatta RZPP:n kanssa yhteistyötä tekevät laitteistoyritykset, mukaan lukien NIIRE, toivoivat "suudelmateknologiaa" ja aikoivat käyttää sitä. Keväällä 1962, kun kävi selväksi, että sen täytäntöönpanoa lykättiin määräämättömäksi ajaksi, NIIRE:n pääinsinööri V.I. Smirnov kysyi RZPP S.A:n johtajalta. Bergman löytää toisen tavan toteuttaa 2NOT-OR-tyyppinen monielementtipiiri, joka on universaali digitaalisten laitteiden rakentamiseen.

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

Yuri Osokinin ensimmäinen IS ja GIS. kiinteä piiri R12-2(IC-sarja 102 Ja 116 )

RZPP:n johtaja uskoi tämän tehtävän nuorelle insinöörille Juri Valentinovich Osokinille. Järjestimme osaston, joka koostui teknologisesta laboratoriosta, fotomaskien 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 2NE-OR (koska termiä IP ei silloin ollut olemassa, kunnioittaen noiden päivien asioita, säilytämme nimen "kiinteä piiri" - TS), joka sai tehdasmerkinnän "P12-2". P12-2:sta on säilytetty mainosvihko vuodelta 1965 (kuva 6), tietoja ja kuvia, joista käytämme. TS R12-2 sisälsi kaksi germanium-p-n-p-transistoria (muunneltuja P401- ja P403-tyyppisiä transistoreita), joiden kokonaiskuorma oli hajautetun p-tyypin germaniumvastuksen muodossa (kuva 7).

Riisi. 8. IS R12-2:n rakenne. Piirustus IP-esitteestä vuodelta 1965

Riisi. 9. Mittapiirustus ajoneuvosta R12-2. Piirustus IP-esitteestä vuodelta 1965

Ulkojohtimet muodostetaan lämpöpuristushitsauksella TC-rakenteen germanium-alueiden ja lyijylankojen kullan välillä. Tämä varmistaa piirien vakaan toiminnan ulkoisten vaikutusten alaisena tropiikissa ja merisumussa, mikä on erityisen tärkeää työskennellessä merivoimien kvasielektronisissa automaattisissa puhelinkeskuksissa, joita valmistaa VEF Riian tehdas, joka on myös kiinnostunut tästä kehityksestä.

Rakenteellisesti TS R12-2 (ja myöhemmät R12-5) valmistettiin "tabletin" muodossa (kuva 9) pyöreästä metallikupista, jonka halkaisija oli 3 mm ja korkeus 0,8 mm. Siihen asetettiin TS-kide ja täytettiin polymeeriseoksella, josta tuli ulos kiteeseen hitsattujen, pehmeästä kultalangasta valmistettujen johtojen lyhyet ulkopäät, joiden halkaisija oli 50 μm. P12-2:n paino ei ylittänyt 25 mg. Tässä mallissa RH:t kestivät 80 % suhteellista kosteutta 40 °C:n ympäristön lämpötilassa ja lämpötilan vaihtelua -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 vuosi 1962 oli mikroelektroniikkateollisuuden syntymävuosi USA:ssa ja Neuvostoliitossa.

Riisi. 10. TC R12-2 -ryhmät

Riisi. 11. R12-2:n tärkeimmät sähköiset ominaisuudet

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 8 tyyppistä TS R12-2:ta (kuva 10). Kaikki muut sähköiset ja muut ominaisuudet ovat samat kaikissa arvoissa (kuva 11).

TS R12-2:n tuotanto alkoi samanaikaisesti tutkimus- ja kehitystyön "Hardness" kanssa, joka päättyi vuonna 1964 (GK Yu.V. Osokin). Tämän työn puitteissa kehitettiin parannettu ryhmätekniikka germanium-TC:iden sarjatuotantoon, joka perustuu fotolitografiaan ja metalliseosten galvaaniseen pinnoitukseen fotomaskin avulla. Sen tärkeimmät tekniset ratkaisut on rekisteröity Osokin Yu.V:n keksinnöiksi. ja Mikhalovich D.L. (A.S. nro 36845). Useita artikkeleita Yu.V. 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 kaikille, paitsi yksi asia - kuluttajat eivät tienneet kuinka käyttää niin pieniä tuotteita ohuimmilla johtopäätöksillä. Laitteistoyrityksillä ei yleensä ollut tekniikkaa eikä laitteita tähän. Koko R12-2:n ja R12-5:n julkaisun ajan niiden käyttöä hallitsivat NIIRE, Radioteollisuusministeriön Zhigulin radiotehdas, VEF, NIIP (vuodesta 1978 NPO Radiopribor) ja muutama muu yritys. Ymmärtäessään ongelman TS:n kehittäjät yhdessä NIIRE:n kanssa ajattelivat heti toisen suunnittelun tason, mikä samalla lisäsi laiteasettelun tiheyttä.

Riisi. 12. 4 ajoneuvon moduuli R12-2

Vuonna 1963 T&K "Kvant" (GK A.N. Pelipenko, mukana E.M. Lyakhovich) puitteissa NIIRE:ssä kehitettiin moduulin suunnittelu, jossa yhdistettiin neljä TS R12-2:ta (kuva 12). Kahdesta neljään R12-2 TS:tä (kotelossa) asetettiin ohuesta lasikuidusta tehdylle mikrolevylle, jotka yhdessä toteuttavat tietyn toimiva solmu. Korttiin puristettiin jopa 17 johtoa (määrä vaihteli tietyn moduulin mukaan) 4 mm pitkä. Mikrolevy asetettiin meistettyyn metallikuppiin, jonka koko oli 21,6 × 10. 6,6 mm ja syvyys 3,1 mm ja täytetty polymeeriyhdisteellä. Tuloksena on hybridi-integroitu piiri (GIS), jossa on kaksoissuljetut elementit. Ja kuten sanoimme, se oli ensimmäinen GIS maailmassa, jossa oli kaksitasoinen integraatio, ja ehkä ensimmäinen GIS yleensäkin. Kahdeksan tyyppistä moduulia kehitettiin yleisnimellä "Quantum", jotka suorittivat erilaisia ​​loogisia toimintoja. Osana tällaisia ​​moduuleja R12-2-ajoneuvot pysyivät toimintakunnossa 150 g:n vakiokiihtyvyyksien ja 5–2000 Hz:n taajuusalueen tärinäkuormien vaikutuksesta 15 g:n kiihtyvyydellä.

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

TS R12-2 ja niihin perustuvat Kvant-moduulit ovat osoittautuneet hyvin ja ovat olleet laajassa käytössä. Vuonna 1968 julkaistiin standardi, joka loi yhtenäisen merkintäjärjestelmän integroiduille piireille maassa, ja vuonna 1969 - Yleiset vaatimukset puolijohde- (NP0.073.004TU) ja hybridi- (NP0.073.003TU) IC:ille. yhtenäinen järjestelmä vaatimukset. Näiden vaatimusten mukaisesti Integroitujen piirien soveltamiskeskus (TsBPIMS, myöhemmin Dayton Central Design Bureau, Zelenograd) hyväksyi 6. helmikuuta 1969 TS ShT3.369.001-1TU:lle uudet tekniset ehdot. Samaan aikaan 102-sarjan termi "integroitu piiri" esiintyi ensimmäisen kerran tuotteen nimikkeessä. Itse asiassa se oli yksi IC, joka oli lajiteltu neljään ryhmään lähtöjännitteen ja kuormituskapasiteetin mukaan.

Riisi. 13. IC-sarjat 116 ja 117

Ja 19. syyskuuta 1970 TsBPIMS:ssä hyväksyttiin tekniset tiedot AB0.308.014TU Kvant-moduuleille, jotka saivat tunnuksen IS 116-sarjasta (kuva 13). Sarjaan kuului yhdeksän IC:tä: 1KhL161, 1KhL162 ja 1KhL163 - monitoimiset digitaalipiirit; 1LE161 ja 1LE162 - kaksi ja neljä loogista elementtiä 2NOT-OR; 1TP161 ja 1TP1162 - yksi ja kaksi laukaisinta; 1UP161 - tehovahvistin sekä 1LP161 - looginen elementti"kielto" 4 sisääntulolle ja 4 ulostulolle. Jokaisella näistä IC:istä oli neljästä seitsemään versiota, jotka erosivat lähtösignaalin jännitteestä ja kuormituskapasiteetista, yhteensä 58 IC-luokitusta. Teloitukset merkittiin kirjaimella IS-tunnuksen digitaalisen osan jälkeen, esimerkiksi 1ХЛ161Ж. Jatkossa moduulivalikoima laajeni. 116-sarjan IC:t olivat itse asiassa hybridejä, mutta RZPP:n pyynnöstä ne merkittiin puolijohteiksi (nimityksen ensimmäinen numero on "1", hybrideissä pitäisi olla "2").

Vuonna 1972ön ja radioteollisuusministeriön yhteisellä päätöksellä moduulien tuotanto siirrettiin Zhigulin radiotehtaalta RZPP:hen. Tämä eliminoi tarpeen kuljettaa 102-sarjan IC:itä pitkiä matkoja, joten ei ollut tarvetta kapseloida jokaisen IC:n suulaketta. Tämän seurauksena sekä 102. että 116. sarjan IC:iden suunnittelu yksinkertaistui: 102-sarjan IC:itä ei tarvinnut pakata yhdisteellä täytettyyn metallikuppiin. Teknologisessa säiliössä olevat pakkaamattomat 102-sarjan IC:t toimitettiin naapuriliikkeeseen 116-sarjan IC:iden kokoamista varten, asennettuna suoraan niiden mikrolevyyn ja sinetöitynä moduulikoteloon.

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

Juri Osokinin toinen IS ja GIS. kiinteä piiri R12-5(IC-sarja 103 Ja 117 )

Vuoden 1963 alkuun mennessä korkeataajuisten n - p - n -transistorien kehittämiseen tehdyn vakavan työn tuloksena Yu.V. Osokina keräsi paljon kokemusta alkuperäisen n-germaniumkiekon p-kerroksista. Tämä ja kaikkien tarvittavien teknisten komponenttien saatavuus mahdollistivat Osokinin vuonna 1963 aloittaa uuden teknologian ja suunnittelun kehittämisen TS:n nopeampaa versiota varten. Vuonna 1964 valmistui NIIRE:n tilauksesta R12-5 TS:n ja siihen perustuvien moduulien kehitys. Sen tulosten mukaan vuonna 1965 Palangan T&K avattiin (GK Yu.V. Osokin, hänen sijaisensa - D.L. Mikhalovich, valmistui vuonna 1966). P12-5:een pohjautuvat moduulit kehitettiin saman tuotekehityksen "Kvant" puitteissa kuin P12-2:een perustuvat moduulit. Samanaikaisesti 102- ja 116-sarjojen teknisten eritelmien kanssa tekniset tiedot ShT3.369.002-2TU 103-sarjan IC:ille (P12-5) ja AV0.308.016TU 117-sarjan IC:ille (moduulit perustuvat 103-sarjan IC:iin) olivat hyväksytty. TS R12-2:n, niissä olevien moduulien ja sarjojen IS 102 ja 116 tyyppi- ja standardiluokitus oli identtinen TS R12-5 ja IS sarjan 103 ja 117 nimikkeistön kanssa. Ne erosivat vain IC-sirun 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 TS:n rakentamiseen on rekisteröity Osokin Yu.V:n, Mikhalovich D.L. Kaidalova Zh.A. ja Akmensa Ya.P. (A.S. nro 248847). TS R12-5:n nelikerroksisen rakenteen valmistuksessa tärkeä osaaminen oli n-tyypin p-kerroksen muodostaminen alkuperäiseen germaniumlevyyn. Tämä saavutettiin diffuusioimalla sinkki suljetussa kvartsiampullissa, jossa levyt sijaitsevat noin 900 °C:n lämpötilassa ja sinkki ampullin toisessa päässä noin 500 °C:n lämpötilassa. TS-rakenteen muodostuminen luodussa p-kerroksessa on samanlainen kuin TS R12-2. Uusi tekniikka mahdollisti TC-kiteen monimutkaisen muodon poistamisen. P12-5-kiekot hiottiin myös takapuolelta noin 150 μm:n paksuuteen siten, että osa alkuperäisestä kiekosta säilytettiin, minkä jälkeen ne raaputettiin erillisiksi suorakaiteen muotoisiksi IC-siruiksi.

Riisi. 14. AS-nro 248847:n TS P12-5:n kiderakenne. 1 ja 2 - maa, 3 ja 4 - tulot, 5 - lähtö, 6 - teho

Ensimmäisen jälkeen positiivisia tuloksia kokeellisten R12-5-ajoneuvojen tuotanto, KB-1:n tilauksesta avattiin Mezon-2 T & K, jonka tarkoituksena oli luoda ajoneuvoja neljällä R12-5:llä. Vuonna 1965 otettiin toimintanäytteet litteässä keramiikka-metallikotelossa. Mutta P12-5 osoittautui vaikeaksi valmistaa, mikä johtui pääasiassa sinkillä seostetun p-kerroksen muodostamisen vaikeuksista alkuperäiseen n-Ge-kiekkoon. Kiteen valmistus osoittautui työvoimavaltaiseksi, saantoprosentti on alhainen ja TS:n hinta on korkea. Samoista syistä R12-5 TS valmistettiin pieninä määrinä, eikä se voinut syrjäyttää hitaampaa, mutta teknisesti edistynyttä R12-2:ta. Ja T&K "Mezon-2" ei jatkunut ollenkaan, mukaan lukien yhteenliittämisongelmien vuoksi.

Tuolloin Pulsar Research Institute ja NIIME työskentelivät jo laajalla rintamalla kehittääkseen tasomaista piiteknologiaa, jolla on useita etuja germaniumiin verrattuna, joista tärkein on korkeampi käyttölämpötila-alue (+150 °С piille ja + 70°С piille). germanium) ja piillä on luonnollinen suojakalvo Si02. Ja RZPP:n erikoistuminen suuntautui uudelleen analogisten IC:iden luomiseen. Siksi RZPP:n asiantuntijat pitivät germaniumteknologian kehittämistä IC:iden tuotantoa varten sopimattomana. Transistorien ja diodien valmistuksessa germanium ei kuitenkaan luopunut paikoistaan ​​jonkin aikaa. Osastolla Yu.V. Osokin, jo vuoden 1966 jälkeen, RZPP kehitti ja valmisti germaniumista matalakohinaisia ​​mikroaaltotransistoreja GT329, GT341, GT 383 jne. Niiden luominen palkittiin Latvian Neuvostoliiton valtionpalkinnolla.

Sovellus

Riisi. 15. Aritmeettinen yksikkö kiinteän piirin 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: Gnom-tietokone (kuva 15) lentokoneen Kupol-järjestelmään (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, laitteiden valmistuksessa, TS:n ja moduulien tutkimuksessa eri muodoissa ja käyttöolosuhteissa.

TS R12-2 ja siihen perustuvat moduulit "Quantum" olivat maan ensimmäiset mikropiirit. Kyllä, ja maailmassa he olivat ensimmäisten joukossa - vasta Yhdysvalloissa he alkoivat tuottaa ensimmäisiä puolijohdepiirittään Texas Instrumentsilta ja Fairchild Semiconductorilta, ja vuonna 1964 IBM alkoi valmistaa paksukalvohybridi-IC:itä tietokoneilleen. Muissa maissa IP:tä ei ole vielä ajateltu. Siksi integroidut piirit olivat yleisön uteliaisuus, niiden sovelluksen tehokkuus teki silmiinpistävän vaikutuksen ja esitettiin mainoksissa. R12-2-ajoneuvon säilyneessä kirjasessa vuodelta 1965 (perustuu jo todellisiin sovelluksiin) sanotaan: " R12-2-kiinteiden piirien käyttö sisäisissä laskentalaitteissa mahdollistaa näiden laitteiden painon ja mittojen pienentämisen kertoimella 10–20, virrankulutuksen pienentämisen ja käyttövarmuuden lisäämisen. ... Kiinteiden R12-2-piirien käyttö automaattisten puhelinkeskusten tiedonsiirtopolkujen ohjaus- ja kytkentäjärjestelmissä mahdollistaa ohjauslaitteiden äänenvoimakkuuden pienentämisen noin 300-kertaiseksi sekä virrankulutuksen vähentämiseksi merkittävästi (30-kertaisesti). 50 kertaa)”. Näitä väitteitä havainnollistivat valokuvat Gnom-tietokoneen aritmeettisesta laitteesta (kuva 15) ja vertailu VEF-tehtaan tuolloin valmistamasta ATS-telineestä, joka perustui releeseen, jossa oli pieni pala tytön kämmenessä (kuva 16). ). Riian ensimmäisille IC:ille oli muitakin lukuisia sovelluksia.

Tuotanto

Nyt on vaikea palauttaa täydellistä kuvaa 102- ja 103-sarjan IC:iden tuotantomääristä vuosien varrella (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 henkilökohtaisten tietojensa mukaan vuonna 1985 julkaistiin 102-sarjan IC-kortteja - 4 100 000 kappaletta, 116-sarjan moduuleja - 1 025 000 kappaletta, 103-sarjan IC:itä - 700 000 kappaletta, 117-sarjan moduuleja - 017 kpl.

Vuoden 1989 lopussa Yu.V. Osokin, silloinen Alpha-ohjelmiston pääjohtaja, kääntyi Neuvostoliiton ministerineuvoston alaisen sotilas-teollisen komission (VPK) johdon puoleen pyytämällä sarjat 102, 103, 116 ja 117 poistamaan tuotannosta niiden vanhentumisen vuoksi. ja korkea työvoimaintensiteetti (25 vuoden ajan mikroelektroniikka ei ole kaukana mennyt eteenpäin), mutta sai kategorisen kieltäytymisen. Sotilasteollisuuskeskuksen varapuheenjohtaja V.L. Koblov kertoi hänelle, että koneet lensivät luotettavasti eikä korvaaminen tullut kysymykseen. Neuvostoliiton romahtamisen jälkeen 102-, 103-, 116- ja 117-sarjojen IC:itä valmistettiin jo ennen 1990-luvun puoliväliä, eli yli 30 vuoden ajan. Tietokoneet "Gnome" ovat edelleen "Il-76":n ja joidenkin muiden lentokoneiden ohjaamossa. ”Tämä on supertietokone”, lentäjämme eivät eksy, kun heidän ulkomaiset kollegansa ovat yllättyneitä kiinnostuneesta yksiköstä, jota ei ole ennen nähty.

Tietoa prioriteeteista

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

R. Kilby ja J. Noyce hakivat yritystensä kautta patenttia integroidun piirin keksinnölle. Texas Instruments haki patenttia aiemmin, helmikuussa 1959, kun taas 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 vuotta kestänyt prioriteettisota, jonka seurauksena (harvinainen) "ystävyys voitti". Lopulta hovioikeus hyväksyi R. Noycen vaatimuksen tekniikan ensisijaisuudesta, mutta päätti, että J. Kilby oli ensimmäisen toimivan mikrosirun luoja. Texas Instruments ja Fairchild Semiconductor allekirjoittivat teknologian ristiinlisensointisopimuksen.

Neuvostoliitossa keksintöjen patentointi tekijöille ei aiheuttanut muuta kuin vaivaa, merkityksetöntä kertamaksua ja moraalista tyydytystä, joten monia keksintöjä ei virallistettu 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 TS R12-2:n keksimisestä vasta 28. kesäkuuta 1966.

Ja J. Kilbystä vuonna 2000 tuli yksi Nobel-palkinnon saajista IP:n keksimisestä. R. Noyce ei odottanut maailmantunnustusta, hän kuoli vuonna 1990, ja tilanteen mukaan Nobel-palkintoa ei 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 (W. Shockley oli nimeltään "Mooses of Silicon Valley"). Ja 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, saksalaisen alkuperän amerikkalaisen Herbert Kremerin kesken. puolijohdeheterorakenteiden kehittäminen, joita käytetään nopeassa optoelektroniikassa."

Näitä töitä arvioidessaan asiantuntijat totesivat, että "integroidut piirit ovat tietysti vuosisadan löytö, jolla oli vahva 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 lasku saa aikaan elektroniikkateknologian lumivyörykasvua.”.

Ja Yu. Osokinin työtä ei arvioinut vain Nobel-komitea. Ne on myös unohdettu maassamme, maan prioriteettia mikroelektroniikan luomisessa ei ole suojattu. Ja hän varmasti oli.

1950-luvulla luotiin materiaaliperusta monielementtituotteiden - integroitujen piirien - muodostamiselle yhdelle monoliittiselle kiteelle tai keraamiselle alustalle. Siksi ei ole yllättävää, että lähes samanaikaisesti idea IP:stä nousi itsenäisesti monien asiantuntijoiden mieliin. Ja uuden idean käyttöönoton nopeus riippui tekijän teknisistä kyvyistä ja valmistajan kiinnostuksesta, toisin sanoen ensimmäisen kuluttajan läsnäolosta. Tässä suhteessa Yu. Osokin oli paremmassa asemassa kuin hänen amerikkalaiset kollegansa. Kilby oli uusi TI:lle, ja hänen täytyi jopa todistaa yrityksen johdolle perustavanlaatuinen mahdollisuus monoliittisen piirin toteuttamiseen tekemällä sen layout. Itse asiassa J. Kilbyn rooli IS:n luomisessa laskeutuu TI:n johtajuuden uudelleenkouluttamiseen ja R. Noycen provosoimiseen ulkoasullaan ryhtymään toimiin. Kilbyn keksintö ei päässyt sarjatuotantoon. R. Noyce ryhtyi nuoressa ja ei vielä vahvassa yhtiössään luomaan uutta tasotekniikkaa, josta todella tuli myöhemmän mikroelektroniikan perusta, mutta kirjoittaja ei heti periksinyt. Edellä mainitun yhteydessä molemmat ja heidän yrityksensä joutuivat käyttämään paljon vaivaa ja aikaa sarjakykyisten IC:ien rakentamiseen liittyvien ideoidensa käytännön toteuttamiseen. Heidän ensimmäiset näytteensä jäivät kokeellisiksi, ja muut mikropiirit, joita he eivät edes kehittäneet, menivät massatuotantoon. Toisin kuin Kilby ja Noyce, jotka olivat kaukana tuotannosta, tehdastyöntekijä Yu. Osokin luotti RZPP:n teollisesti kehitettyihin puolijohdeteknologioihin ja oli takaanut ensimmäisen TS:n kuluttajat NIIRE:n ja läheisen VEF:n kehittämisen alullepanijana. tehdas, joka auttoi tässä työssä. Näistä syistä hänen ajoneuvonsa ensimmäinen versio meni heti kokeelliseen käyttöön, siirtyi sujuvasti massatuotantoon, joka jatkui yhtäjaksoisesti yli 30 vuotta. Siten aloittaessaan TS:n kehittämisen myöhemmin kuin Kilbyn ja Noycen, Yu. Osokin (ei tiennyt tästä kilpailusta) sai heidät nopeasti kiinni. Lisäksi Yu. Osokinin työ ei liity millään tavalla amerikkalaisten työhön, todisteena tästä on hänen TS:n ja siinä toteutettujen ratkaisujen ehdoton erilaisuus Kilbyn ja Noycen mikropiireihin nähden. Texas Instruments (ei Kilbyn keksintö), Fairchild ja RZPP aloittivat piirilevyjensä tuotannon lähes samanaikaisesti, vuonna 1962. Tämä antaa täyden oikeuden pitää Yu. Osokinia yhtenä integroidun piirin keksijänä R. Noycen ja enemmän kuin J. Kilbyn kanssa, ja olisi reilua jakaa osa J. Kilbyn Nobel-palkinnosta Yu Osokin. Mitä tulee ensimmäisen kaksitasoisen integroinnin (ja mahdollisesti GIS:n) keksimiseen, tässä prioriteetti on A. NIIRE:n Pelipenko on ehdottoman kiistaton.

Valitettavasti näytteitä TS:stä ja niihin perustuvista museoille tarpeellisista laitteista ei löytynyt. Kirjoittaja on erittäin kiitollinen tällaisista näytteistä tai niiden valokuvista.

Integroitu (mikro)piiri (IC, IC, m / s, englantilainen integroitu piiri, IC, mikropiiri), siru, mikrosiru (englanniksi mikrosiru, piisiru, siru - ohut levy - termillä alun perin viitattiin mikropiirin kristallilevyyn) - mikroelektroniikka laite - elektroninen piiri mielivaltaisen monimutkaisuuden (kide), valmistettu puolijohdesubstraatille (levylle tai kalvolle) ja sijoitettu ei-irrotettavaan koteloon tai ilman sitä, jos se sisältyy mikrokokoonpanoon.

Mikroelektroniikka on aikamme merkittävin ja, kuten monet uskovat, tärkein tieteellinen ja teknologinen saavutus. Sitä voidaan verrata sellaisiin tekniikan historian käännekohtiin, kuten painatuksen keksiminen 1500-luvulla, höyrykoneen luominen 1700-luvulla ja sähkötekniikan kehitys 1800-luvulla. Ja kun nykyään on kyse tieteellisestä ja teknologisesta vallankumouksesta, sillä tarkoitetaan ensisijaisesti mikroelektroniikkaa. Kuten mikään muu nykypäivän tekninen saavutus, se läpäisee kaikki elämän osa-alueet ja tekee todeksi sen, mitä eilen oli yksinkertaisesti mahdotonta kuvitella. Tästä vakuuttumiseen riittää, kun ajatellaan taskulaskijoita, miniradioita, kodinkoneiden elektronisia ohjaimia, kelloja, tietokoneita ja ohjelmoitavia tietokoneita. Ja tämä on vain pieni osa sen laajuudesta!

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

Vähitellen tuli ymmärrys, että oli järkevämpää olla koota tällaisia ​​laitteita erillisistä elementeistä, vaan valmistaa ne välittömästi yhdelle yhteiselle sirulle, varsinkin kun puolijohdeelektroniikka loi kaikki edellytykset tälle. Itse asiassa kaikki puolijohdeelementit ovat rakenteeltaan hyvin samanlaisia ​​​​toistensa kanssa, niillä on sama toimintaperiaate ja ne eroavat vain p-n-alueiden keskinäisestä järjestelystä.

Nämä p-n alueita Kuten muistamme, syntyy lisäämällä samantyyppisiä epäpuhtauksia puolijohdekiteen pintakerrokseen. Lisäksi luotettava ja kaikista näkökulmista katsottuna tyydyttävä toiminta suurimmalle osalle puolijohdeelementtejä on varustettu pintatyökerroksen paksuudella millimetrin tuhannesosilla. Pienimmät transistorit käyttävät yleensä vain puolijohdekiteen yläkerrosta, joka on vain 1 % sen paksuudesta. Loput 99 % toimivat kantajana tai substraattina, koska ilman substraattia transistori voisi yksinkertaisesti romahtaa pienimmälläkin kosketuksella. Siksi yksittäisten elektronisten komponenttien valmistukseen käytetyllä tekniikalla on mahdollista luoda välittömästi täydellinen piiri useista kymmenistä, sadoista ja jopa tuhansista tällaisista komponenteista yhdelle sirulle.

Hyöty tästä 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 tämä on valtavan tärkeää, koska vianetsintä kymmenien tai satojen tuhansien elektronisten komponenttien piirissä on erittäin vaikea ongelma. . Kolmanneksi, koska kaikki integroidun piirin elektroniset elementit ovat satoja ja tuhansia kertoja pienempiä kuin vastaavat tavanomaisessa yhdistetyssä piirissä, niiden virrankulutus on paljon pienempi ja niiden nopeus paljon suurempi.

Keskeinen tapahtuma, joka ennusti integraation saapumista elektroniikkaan, oli Texas Instrumentsin amerikkalaisen insinöörin J. Kilbyn ehdotus saada koko piiriin vastaavat elementit, kuten rekisterit, kondensaattorit, transistorit ja diodit monoliittisessa puhtaassa piikappaleessa. Kilby loi ensimmäisen integroidun puolijohdepiirin kesällä 1958. Ja jo vuonna 1961 Fairchild Semiconductor Corporation tuotti ensimmäiset sarjamikropiirit tietokoneille: sattumapiirin, puolisiirtorekisterin ja flip-flopin. Samana vuonna tuotanto puolijohteiden integroitu logiikkapiirejä Texasin omistama.

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

Integroidun piirin lähtöaine on yleensä raakapiikiekko. 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 korkea kemiallinen ja mekaaninen kestävyys, ja sillä on erinomaisen eristeen ominaisuudet, mikä tarjoaa luotettavan eristyksen sen alla olevalle piille.

Seuraava vaihe on epäpuhtauksien lisääminen p- tai n-johtavuusvyöhykkeiden luomiseksi. Tätä varten oksidikalvo poistetaan levyn kohdista, jotka vastaavat yksittäisiä elektronisia komponentteja. Haluttujen alueiden valinta tapahtuu fotolitografiaksi kutsutulla prosessilla. Ensinnäkin koko oksidikerros peitetään valoherkällä yhdisteellä (fotoresistillä), jolla on valokuvafilmin rooli - se voidaan valaista ja kehittää. Sen jälkeen levy valaistaan ​​ultraviolettisäteillä erityisen valomaskin kautta, joka sisältää puolijohdekiteen pintakuvion.

Valon vaikutuksesta oksidikerrokseen muodostuu tasainen kuvio, jonka valaisemattomat alueet pysyvät vaaleina ja kaikki loput tummenevat. Paikkaan, jossa valovastus on altistunut valolle, muodostuu kalvon liukenemattomia alueita, jotka kestävät happoa. Tämän jälkeen kiekkoa käsitellään liuottimella, joka poistaa fotoresistin altistuneilta alueilta. Avoimista paikoista (ja vain niistä) piioksidikerros syövytetään hapolla.

Tuloksena piioksidi liukenee oikeisiin paikkoihin ja puhtaan piin "ikkunat" avautuvat valmiina epäpuhtauksien johtamiseen (ligaatio). 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 levy on käsitelty yhden tyyppisellä epäpuhtaudella, se valmistetaan ligaatioon toisen tyypin kanssa - levyn pinta peitetään jälleen oksidikerroksella, suoritetaan uusi fotolitografia ja syövytys, minkä seurauksena uudet "ikkunat" silikonista auki.

Tätä seuraa uusi ligaatio, esimerkiksi boorilla, p-tyypin johtavuuden saamiseksi. Siten p- ja n-alueet muodostuvat oikeisiin paikkoihin kiteen koko pinnalle. 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 kerrostetaan ohut alumiinikerros, joka kerrostetaan erittäin ohuen kalvon muodossa. Se altistetaan fotolitografiselle käsittelylle ja etsaukselle, joka on samanlainen kuin edellä kuvatut. Tämän seurauksena koko metallikerroksesta jää vain ohuita johtavia viivoja ja tyynyjä.

Lopuksi puolijohdekiteen koko pinta peitetään suojakerroksella (useimmiten silikaattilasi), joka sitten poistetaan tyynyistä. Kaikille valmistetuille mikropiireille tehdään tiukimmat tarkastukset ohjaus- ja testitelineellä. Vialliset piirit on merkitty punaisella pisteellä. Lopuksi kide leikataan erillisiksi mikropiirilevyiksi, 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 mikropiireiksi, joiden integrointiaste on alhainen; piirit, jotka sisältävät enintään 1000 elementtiä - integroidut piirit, joilla on keskimääräinen integrointiaste; piirit, jotka sisältävät jopa kymmeniä tuhansia elementtejä - suuret integroidut piirit. Piirejä, jotka sisältävät jopa miljoona elementtiä, valmistetaan jo (niitä kutsutaan supersuuriksi). Integraation asteittainen lisääntyminen on johtanut siihen, että joka vuosi piirit muuttuvat yhä pienemmiksi ja vastaavasti yhä monimutkaisemmiksi.

Suuri määrä elektroniset laitteet, joka ennen oli suurikokoinen, 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 johti suurenmoiseen mikroelektroniikan läpimurtoon tietotekniikan alalla.

Lue ja kirjoita hyödyllinen