Le premier circuit intégré. L'histoire de l'invention du circuit intégré. réduction des coûts d'équipement

Introduction

Depuis l’avènement des premiers ordinateurs, les développeurs de logiciels rêvent d’un matériel conçu pour résoudre exactement leur problème. Par conséquent, l’idée de créer des circuits intégrés spéciaux pouvant être adaptés pour effectuer efficacement une tâche spécifique est apparue depuis un certain temps. Il existe ici deux voies de développement :

• L'utilisation de circuits intégrés personnalisés dits spécialisés (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Comme leur nom l'indique, ces puces sont fabriquées par les fabricants matériel sur mesure pour effectuer efficacement une tâche ou une série de tâches spécifiques. Ils n'ont pas la polyvalence des microcircuits conventionnels, mais ils résolvent les tâches qui leur sont assignées plusieurs fois plus rapidement, parfois de plusieurs ordres de grandeur.
• Création de microcircuits à architecture reconfigurable. L'idée est que ces puces arrivent au développeur ou à l'utilisateur du logiciel dans un état non programmé, et qu'il peut y mettre en œuvre l'architecture qui lui convient le mieux. Examinons de plus près leur processus de formation.

Au fil du temps, un grand nombre de puces différentes à architecture reconfigurable sont apparues (Fig. 1).

Fig. 1 Variété de puces à architecture reconfigurable

Pendant assez longtemps, seuls les appareils PLD (Programmable Logic Device) existaient sur le marché. Cette classe comprend les appareils qui mettent en œuvre les fonctions nécessaires pour résoudre les problèmes assignés sous la forme d'une disjonctive parfaite forme normale(DNF parfait). Les premières à apparaître en 1970 furent les puces EEPROM, qui appartiennent spécifiquement à la classe des dispositifs PLD. Chaque circuit avait un ensemble fixe de fonctions logiques ET connectées à un ensemble programmable de fonctions logiques OU. Par exemple, considérons une PROM avec 3 entrées (a, b et c) et 3 sorties (w, x et y) (Fig. 2).

Riz. 2. Puce PROM

À l'aide d'un tableau AND prédéfini, toutes les conjonctions possibles sur les variables d'entrée sont implémentées, qui peuvent ensuite être arbitrairement combinées à l'aide d'éléments OR. Ainsi, en sortie, vous pouvez implémenter n'importe quelle fonction à trois variables sous la forme d'un DNF parfait. Par exemple, si vous programmez les éléments OR entourés en rouge dans la figure 2, alors les sorties produiront les fonctions w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Initialement, les puces PROM étaient destinées à stocker des instructions de programme et des valeurs constantes, c'est-à-dire pour exécuter les fonctions de mémoire de l'ordinateur. Cependant, les développeurs les utilisent également pour implémenter des fonctions logiques simples. En fait, la PROM de la puce peut être utilisée pour implémenter n'importe quel bloc logique, à condition qu'il dispose d'un petit nombre d'entrées. Cette condition découle du fait que dans les microcircuits EEPROM, la matrice des éléments ET est strictement définie - toutes les conjonctions possibles à partir des entrées y sont implémentées, c'est-à-dire que le nombre d'éléments ET est égal à 2 * 2 n, où n est le nombre d'entrées. Il est clair qu’à mesure que le nombre n augmente, la taille du tableau augmente très rapidement.

Ensuite, en 1975, sont apparus les réseaux logiques programmables (PLM). Ils s'inscrivent dans la continuité de l'idée des PROM de microcircuits - les PLM sont également constitués de tableaux AND et OR, cependant, contrairement aux PROM, les deux tableaux sont programmables. Cela offre une plus grande flexibilité à ces puces, mais elles n'ont jamais été courantes car les signaux mettent beaucoup plus de temps à transiter via des connexions programmables que via leurs homologues prédéfinis.

Afin de résoudre le problème de vitesse inhérent aux PLM, une autre classe de dispositifs appelée logique matricielle programmable (PAL) est apparue à la fin des années 1970. Un autre développement de l'idée des puces PAL a été l'émergence de dispositifs GAL (Generic Array Logic) - des variétés plus complexes de PAL utilisant des transistors CMOS. L'idée utilisée ici est exactement à l'opposé de l'idée des puces PROM : un tableau programmable d'éléments ET est connecté à un tableau prédéfini d'éléments OU (Fig. 3).

Riz. 3. Appareil PAL non programmé

Cela impose une limitation de fonctionnalité, cependant, de tels dispositifs nécessitent des matrices d'une taille beaucoup plus petite que dans les puces EPROM.

Une suite logique des PLD simples a été l'émergence des PLD dits complexes, constitués de plusieurs blocs de PLD simples (généralement les appareils PAL sont utilisés comme PLD simples), unis par une matrice de commutation programmable. En plus des blocs PLD eux-mêmes, il était également possible de programmer les connexions entre eux à l'aide de cette matrice de commutation. Les premiers PLD complexes sont apparus à la fin des années 70 et au début des années 80 du 20e siècle, mais le principal développement dans ce domaine a eu lieu en 1984, lorsqu'Altera a introduit un PLD complexe basé sur une combinaison de technologies CMOS et EPROM.

L'avènement du FPGA

Au début des années 1980, dans l’environnement numérique des ASIC, un fossé s’est creusé entre les principaux types de dispositifs. D'une part, il y avait les PLD, qui peuvent être programmés pour chaque tâche spécifique et sont assez simples à fabriquer, mais ils ne peuvent pas être utilisés pour mettre en œuvre des fonctions complexes. D'un autre côté, il existe des ASIC qui peuvent mettre en œuvre des fonctions extrêmement complexes, mais qui ont une architecture rigide et sont longs et coûteux à fabriquer. Un lien intermédiaire était nécessaire, et les dispositifs FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sont devenus un tel lien.

Les FPGA, comme les PLD, sont des dispositifs programmables. La principale différence fondamentale entre FPGA et PLD est que les fonctions du FPGA sont implémentées non pas à l'aide de DNF, mais à l'aide de tables de recherche programmables (LUT). Dans ces tableaux, les valeurs des fonctions sont spécifiées à l'aide d'une table de vérité, à partir de laquelle le résultat requis est sélectionné à l'aide d'un multiplexeur (Fig. 4) :

Riz. 4. Tableau de correspondance

Chaque dispositif FPGA est constitué de blocs logiques programmables (Configurable Logic Blocks - CLB), qui sont interconnectés par des connexions également programmables. Chacun de ces blocs est destiné à programmer une certaine fonction ou une partie de celle-ci, mais peut être utilisé à d'autres fins, par exemple comme mémoire.

Dans les premiers dispositifs FPGA, développés au milieu des années 80, le bloc logique était très simple et contenait une LUT à 3 entrées, une bascule et un petit nombre d'éléments auxiliaires. Les dispositifs FPGA modernes sont beaucoup plus complexes : chaque bloc CLB se compose de 1 à 4 « tranches », chacune contenant plusieurs tables LUT (généralement 6 entrées), plusieurs déclencheurs et un grand nombre d'éléments de service. Voici un exemple de « tranche » moderne :

Riz. 5. Le dispositif d'une « coupe » moderne

Conclusion

Étant donné que les appareils PLD ne peuvent pas implémenter de fonctions complexes, ils continuent à être utilisés pour implémenter des fonctions simples dans des appareils portables et les communications, tandis que les dispositifs FPGA allant de 1 000 tailles de portes (le premier FPGA développé en 1985) ce moment a dépassé la barre des 10 millions de portes (famille Virtex-6). Ils développent activement et remplacent déjà les puces ASIC, permettant la mise en œuvre d'une variété de fonctions extrêmement complexes sans perdre la capacité de reprogrammation.

La mise en œuvre de ces propositions au cours de ces années n'a pas pu avoir lieu en raison du développement insuffisant de la technologie.

À la fin de 1958 et dans la première moitié de 1959, une percée a eu lieu dans l'industrie des semi-conducteurs. Trois hommes, représentant trois sociétés privées américaines, ont résolu trois problèmes fondamentaux qui empêchaient la création de circuits intégrés. Jack Kilby de Texas Instruments a breveté le principe de combinaison, créé les premiers prototypes imparfaits de propriété intellectuelle et les a amenés à la production en série. Kurt Lehovec de Compagnie électrique Sprague a inventé une méthode pour isoler électriquement des composants formés sur une seule puce semi-conductrice (isolation à jonction p-n). Isolation de la jonction P – n)). Robert Noyce de Fairchild Semi-conducteur inventé un moyen connexion électrique Composants IC (métallisation aluminium) et proposé une version améliorée de l'isolation des composants basée sur la dernière technologie planaire de Jean Herni. Jean Hoerni). Le 27 septembre 1960, le groupe de Jay Last Jay Dernier) créé sur Fairchild Semi-conducteur le premier qui fonctionne semi-conducteur IP basée sur les idées de Noyce et Ernie. Texas Instruments, qui détenait le brevet de l'invention de Kilby, s'est déchaîné contre ses concurrents guerre des brevets, qui s'est terminée en 1966 par un accord mondial sur les technologies de licences croisées.

Les premiers circuits intégrés logiques de la série mentionnée étaient littéralement construits à partir de standard composants dont les tailles et les configurations ont été spécifiées processus technologique. Les concepteurs de circuits qui ont conçu des circuits intégrés logiques d'une famille particulière fonctionnaient avec les mêmes diodes et transistors standard. En 1961-1962 le principal développeur a brisé le paradigme de la conception Sylvanie Tom Longo, pour la première fois utilisant différents circuits intégrés en un seul configurations de transistors en fonction de leurs fonctions dans le circuit. Fin 1962 Sylvanie a lancé la première famille de logiques transistor-transistor (TTL) développée par Longo - historiquement le premier type de logique intégrée qui a réussi à s'implanter à long terme sur le marché. Dans les circuits analogiques, une percée de ce niveau a été réalisée en 1964-1965 par le développeur d'amplificateurs opérationnels. Fairchild Bob Widlar.

Le premier microcircuit national a été créé en 1961 au TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) sous la direction de L. N. Kolesov. Cet événement a attiré l'attention de la communauté scientifique du pays et TRTI a été reconnu comme leader du système du ministère de l'Enseignement supérieur sur le problème de la création d'équipements microélectroniques hautement fiables et de l'automatisation de sa production. L.N. Kolesov lui-même a été nommé président du Conseil de coordination sur ce problème.

Le premier film épais hybride en URSS circuit intégré(série 201 « Trail ») a été développée en 1963-65 à l'Institut de recherche en technologie de précision (« Angstrem »), production en série depuis 1965. Des spécialistes du NIEM (aujourd'hui Argon Research Institute) ont participé au développement.

Le premier circuit intégré à semi-conducteurs d'URSS a été créé sur la base de la technologie planaire, développée au début des années 1960 au NII-35 (alors rebaptisé Pulsar Research Institute) par une équipe qui a ensuite été transférée au NIIME (Mikron). La création du premier circuit intégré national en silicium s'est concentrée sur le développement et la production avec l'acceptation militaire de la série TS-100 de circuits intégrés en silicium (37 éléments - l'équivalent de la complexité du circuit d'une bascule, un analogue du circuit intégré américain série IC SN-51 entreprises Texas Instruments). Des échantillons prototypes et des échantillons de production de circuits intégrés en silicium destinés à la reproduction ont été obtenus aux États-Unis. Les travaux ont été réalisés au NII-35 (directeur Trutko) et à l'usine de semi-conducteurs Fryazino (directeur Kolmogorov) pour une commande de défense destinée à être utilisée dans un altimètre autonome pour un système de guidage de missile balistique. Le développement comprenait six circuits planaires intégrés standard en silicium de la série TS-100 et, avec l'organisation de la production pilote, a duré trois ans au NII-35 (de 1962 à 1965). Il a fallu encore deux ans pour développer la production en usine avec l'acceptation militaire à Fryazino (1967).

En parallèle, des travaux sur le développement d'un circuit intégré ont été menés au bureau d'études central de l'usine de dispositifs semi-conducteurs de Voronej (aujourd'hui -). En 1965, lors d'une visite au VZPP du ministre de l'Industrie électronique A.I. Shokin, l'usine fut chargée de mener des travaux de recherche sur la création d'un circuit monolithique en silicium - R&D « Titan » (arrêté ministériel n° 92 du 16 août 2008). 1965), achevé plus tôt que prévu, à la fin de l'année. Le sujet a été soumis avec succès à la Commission d'État et une série de 104 microcircuits logiques à diodes et transistors est devenue la première réalisation fixe dans le domaine de la microélectronique à semi-conducteurs, ce qui a été reflété dans l'ordonnance MEP n° 403 du 30 décembre 1965.

Niveaux de conception

Actuellement (2014), la plupart des circuits intégrés sont conçus à l'aide de systèmes de CAO spécialisés, qui permettent d'automatiser et d'accélérer considérablement les processus de production, par exemple l'obtention de photomasques topologiques.

Classification

Degré d'intégration

Selon le degré d'intégration, les noms de circuits intégrés suivants sont utilisés :

• petit circuit intégré (MIS) - jusqu'à 100 éléments par puce,
• circuit intégré moyen (SIS) - jusqu'à 1000 éléments par puce,
• grand circuit intégré (LSI) - jusqu'à 10 000 éléments par puce,
• circuit intégré à très grande échelle (VLSI) - plus de 10 000 éléments dans un cristal.

Auparavant, des noms désormais obsolètes étaient également utilisés : circuit intégré à très grande échelle (ULSI) - de 1 à 10 millions à 1 milliard d'éléments dans un cristal et, parfois, circuit intégré à très grande échelle (GBIC) - plus de 1 milliards d'éléments dans un cristal. Actuellement, dans les années 2010, les noms « UBIS » et « GBIS » ne sont pratiquement pas utilisés et tous les microcircuits comportant plus de 10 000 éléments sont classés comme VLSI.

Technologie de fabrication

Microensemble hybride STK403-090, retiré du boîtier

• Puce semi-conductrice - tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés sur un seul cristal semi-conducteur (par exemple, silicium, germanium, arséniure de gallium).

• Circuit intégré en film - tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés sous forme de films :
  • circuit intégré à couche épaisse;
  • circuit intégré à couche mince.
• Puce hybride (souvent appelée microassemblage), contient plusieurs diodes, transistors et/ou autres composants électroniques actifs. Le microensemble peut également comprendre des circuits intégrés non emballés. Les composants de microassemblages passifs (résistances, condensateurs, inductances) sont généralement fabriqués à l'aide de technologies à couches minces ou à couches épaisses sur un substrat de puce hybride commun, généralement en céramique. L'ensemble du substrat avec les composants est placé dans un seul boîtier étanche.
• Microcircuit mixte - en plus du cristal semi-conducteur, il contient des éléments passifs à couche mince (à couche épaisse) situés à la surface du cristal.

Type de signal traité

• Analogique-numérique.

Technologies de fabrication

Types de logique

L'élément principal des microcircuits analogiques sont les transistors (bipolaires ou à effet de champ). La différence dans la technologie de fabrication des transistors affecte considérablement les caractéristiques des microcircuits. Par conséquent, la technologie de fabrication est souvent indiquée dans la description du microcircuit afin de souligner caractéristiques générales propriétés et capacités du microcircuit. DANS technologies modernes combiner bipolaire et transistors à effet de champ pour obtenir des performances améliorées des microcircuits.

• Les microcircuits à base de transistors unipolaires (à effet de champ) sont les plus économiques (en termes de consommation de courant) :
  • Logique MOS (logique métal-oxyde-semi-conducteur) - les microcircuits sont formés à partir de transistors à effet de champ n-MOS ou p-Type MOS ;
  • Logique CMOS (logique MOS complémentaire) - chacune élément logique Le microcircuit est constitué d'une paire de transistors à effet de champ complémentaires (complémentaires) ( n-MOS et p-SERPILLIÈRE).
• Microcircuits à base de transistors bipolaires :
  • RTL - logique résistance-transistor (obsolète, remplacée par TTL) ;
  • DTL - logique diode-transistor (obsolète, remplacée par TTL) ;
  • TTL - logique transistor-transistor - les microcircuits sont constitués de transistors bipolaires avec des transistors multi-émetteurs en entrée ;
  • TTLSh - logique transistor-transistor avec diodes Schottky - un TTL amélioré qui utilise des transistors bipolaires avec effet Schottky ;
  • ECL - logique couplée à l'émetteur - sur les transistors bipolaires dont le mode de fonctionnement est sélectionné de manière à ce qu'ils n'entrent pas en mode saturation - ce qui augmente considérablement les performances ;
  • IIL - logique d'injection intégrale.
• Microcircuits utilisant à la fois des transistors à effet de champ et bipolaires :

En utilisant le même type de transistors, des puces peuvent être créées en utilisant différentes méthodologies, telles que statiques ou dynamiques.

Les technologies CMOS et TTL (TTLS) sont les puces logiques les plus courantes. Lorsqu'il est nécessaire d'économiser la consommation de courant, la technologie CMOS est utilisée, lorsque la vitesse est plus importante et qu'une économie de consommation d'énergie n'est pas requise, la technologie TTL est utilisée. Le point faible des microcircuits CMOS est leur vulnérabilité à l'électricité statique : il suffit de toucher la sortie du microcircuit avec la main, et son intégrité n'est plus garantie. Avec le développement des technologies TTL et CMOS, les paramètres des microcircuits se rapprochent et, par conséquent, par exemple, la série 1564 de microcircuits est réalisée à l'aide de la technologie CMOS, et la fonctionnalité et le placement dans le boîtier sont similaires à la technologie TTL.

Les microcircuits fabriqués selon la technologie ESL sont les plus rapides, mais aussi les plus énergivores, et ont été utilisés en production la technologie informatique dans les cas où le paramètre le plus important était la vitesse de calcul. En URSS, les ordinateurs les plus productifs de type ES106x étaient fabriqués sur des microcircuits ESL. De nos jours, cette technologie est rarement utilisée.

Processus technologique

Dans la fabrication des microcircuits, on utilise la méthode de photolithographie (projection, contact, etc.), dans laquelle le circuit est formé sur un substrat (généralement du silicium) obtenu en découpant des monocristaux de silicium avec des disques de diamant en tranches minces. En raison des petites dimensions linéaires des éléments du microcircuit, l'utilisation de la lumière visible et même du rayonnement ultraviolet proche pour l'éclairage a été abandonnée.

Les processeurs suivants ont été fabriqués à l'aide de lumière UV (laser excimer ArF, longueur d'onde 193 nm). En moyenne, les leaders de l'industrie ont introduit de nouveaux procédés technologiques selon le plan ITRS tous les 2 ans, doublant le nombre de transistors par unité de surface : 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), la production de 14 nm a commencé en 2014 , le développement des procédés 10 nm est attendu vers 2018.

En 2015, on estimait que l’introduction de nouveaux procédés technologiques allait ralentir.

Contrôle de qualité

Pour contrôler la qualité des circuits intégrés, les structures dites de test sont largement utilisées.

But

Un circuit intégré peut avoir des fonctionnalités complètes, quelle que soit leur complexité, jusqu'à un micro-ordinateur complet (micro-ordinateur monopuce).

Circuits analogiques

Analogique intégré (micro)schème (AIS, OBJECTIFS) - un circuit intégré dont les signaux d'entrée et de sortie varient selon la loi d'une fonction continue (c'est-à-dire qu'il s'agit de signaux analogiques).

Un prototype de laboratoire d'un circuit intégré analogique a été créé par Texas Instruments aux États-Unis en 1958. C'était un générateur de déphasage. En 1962, la première série de microcircuits analogiques est apparue - SN52. Il contenait un amplificateur basse fréquence de faible puissance, un amplificateur opérationnel et un amplificateur vidéo.

En URSS, une large gamme de circuits intégrés analogiques était disponible à la fin des années 1970. Leur utilisation a permis d'augmenter la fiabilité des appareils, de simplifier la configuration des équipements et souvent même d'éliminer le besoin Entretien pendant le fonctionnement.

Vous trouverez ci-dessous une liste partielle des appareils dont les fonctions peuvent être exécutées par des circuits intégrés analogiques. Souvent, un microcircuit en remplace plusieurs à la fois (par exemple, le K174XA42 contient tous les composants d'un récepteur radio FM superhétérodyne).

• Filtres (y compris effet piézoélectrique).
• Multiplicateurs analogiques.
• Atténuateurs analogiques et amplificateurs variables.
• Stabilisateurs d'alimentation : stabilisateurs de tension et de courant.
• Microcircuits de contrôle d'alimentation à découpage.
• Convertisseurs de signaux.
• Divers capteurs.

Les microcircuits analogiques sont utilisés dans les équipements d'amplification et de reproduction sonore, les magnétoscopes, les téléviseurs, les équipements de communication, les instruments de mesure, les ordinateurs analogiques, etc.

Dans les ordinateurs analogiques

• Amplificateurs opérationnels (LM101, μA741).

Dans les alimentations

Puce stabilisatrice de tension KR1170EN8

• Stabilisateurs de tension linéaires (KR1170EN12, LM317).
• Stabilisateurs de tension de commutation (LM2596, LM2663).

Dans les caméras vidéo et les caméras

• Matrices CCD (ICX404AL).
• Réseaux CCD (MLX90255BA).

Dans les équipements d'amplification et de reproduction sonore

• Amplificateurs de puissance audiofréquence (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Double UMZCH pour équipement stéréophonique (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Divers régulateurs (K174UN10 - UMZCH à deux canaux avec réglage électronique de la réponse en fréquence, K174UN12 - contrôle du volume et de la balance à deux canaux).

Dans les instruments de mesure Dans les appareils de transmission et de réception radio

• Détecteurs de signaux AM (K175DA1).
• Détecteurs de signaux FM (K174UR7).
• Mélangeurs (K174PS1).
• Amplificateurs haute fréquence (K157ХА1).
• Amplificateurs à fréquence intermédiaire (K157ХА2, K171UR1).
• Récepteurs radio monopuces (K174ХА10).

Sur les téléviseurs

• Dans le canal radio (K174UR8 - amplificateur avec AGC, détecteur d'images et de sons IF, K174UR2 - amplificateur de tension d'image IF, détecteur synchrone, préamplificateur signal vidéo, système de contrôle automatique du gain par clé).
• Dans le canal de chromaticité (K174AF5 - façonneur de signaux de couleur R, G, B, K174ХА8 - commutateur électronique, amplificateur-limiteur et démodulateur de signaux d'information de couleur).
• En unités de numérisation (K174GL1 - générateur de numérisation de trames).
• Dans les circuits de commutation, de synchronisation, de correction et de contrôle (K174AF1 - sélecteur de signal de synchronisation d'amplitude, générateur d'impulsions de fréquence horizontale, unité de réglage automatique de la fréquence et de la phase du signal, générateur d'impulsions maître horizontal, K174UP1 - amplificateur de signal de luminosité, régulateur électronique oscillation du signal de sortie et niveau de noir).

Production

La transition vers des tailles submicroniques d’éléments intégraux complique la conception de l’AIMS. Par exemple, les transistors MOS avec une longueur de grille courte présentent un certain nombre de caractéristiques qui limitent leur utilisation dans les blocs analogiques : niveau élevé de bruit de scintillement basse fréquence ; une forte répartition de la tension de seuil et de la pente, conduisant à l'apparition d'une tension de polarisation importante des amplificateurs différentiels et opérationnels ; faible valeur de la résistance des petits signaux de sortie et du gain des cascades avec charge active ; faible tension de claquage des jonctions p-n et de l'espace drain-source, provoquant une diminution de la tension d'alimentation et une diminution plage dynamique.

Actuellement, les microcircuits analogiques sont produits par de nombreuses entreprises : Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, etc.

Circuits numériques

Circuit intégré numérique(microcircuit numérique) est un circuit intégré conçu pour convertir et traiter des signaux qui changent selon la loi d'une fonction discrète.

Les circuits intégrés numériques sont basés sur des interrupteurs à transistors qui peuvent être dans deux états stables : ouvert et fermé. L'utilisation de commutateurs à transistors permet de créer divers circuits logiques, déclencheurs et autres circuits intégrés. Les circuits intégrés numériques sont utilisés dans les dispositifs discrets de traitement de l'information des ordinateurs électroniques (ordinateurs), des systèmes d'automatisation, etc.

• Convertisseurs de tampon
• (Micro)processeurs (y compris processeurs pour ordinateurs)
• Puces et modules de mémoire
• FPGA (circuits intégrés logiques programmables)

Les circuits intégrés numériques présentent de nombreux avantages par rapport aux circuits analogiques :

• Consommation d'énergie réduite associé à l’utilisation de signaux électriques pulsés dans l’électronique numérique. Lors de la réception et de la conversion de tels signaux, les éléments actifs des dispositifs électroniques (transistors) fonctionnent en mode « clé », c'est-à-dire que le transistor est soit « ouvert » - ce qui correspond à un signal de haut niveau (1), soit « fermé ». " - (0), dans le premier cas à Il n'y a pas de chute de tension dans le transistor, dans le second il n'y a pas de courant qui le traverse. Dans les deux cas, la consommation électrique est proche de 0, contrairement aux dispositifs analogiques, dans lesquels les transistors sont la plupart du temps dans un état intermédiaire (actif).
• Immunité élevée au bruit Les appareils numériques sont associés à une grande différence entre les signaux de niveau élevé (par exemple, 2,5-5 V) et faible (0-0,5 V). Une erreur d’état est possible à un niveau d’interférence tel qu’un niveau élevé est interprété comme un niveau faible et vice versa, ce qui est peu probable. D’ailleurs, dans appareils numériques Il est possible d'utiliser des codes spéciaux pour corriger les erreurs.
• La grande différence entre les niveaux d'états des signaux de niveau haut et bas (« 0 » et « 1 » logiques) et une plage assez large de leurs changements admissibles rendent la technologie numérique insensible à la dispersion inévitable des paramètres des éléments dans la technologie intégrée, élimine la nécessité de sélectionner des composants et de configurer des éléments de réglage dans les appareils numériques.

Circuits analogiques-numériques

Circuit intégré analogique-numérique(microcircuit analogique-numérique) - un circuit intégré conçu pour convertir des signaux variant selon la loi d'une fonction discrète en signaux variant selon la loi d'une fonction continue, et vice versa.

Souvent, une puce remplit les fonctions de plusieurs appareils à la fois (par exemple, les CAN à approximation successive contiennent un DAC, ils peuvent donc effectuer des conversions bidirectionnelles). Liste des appareils (incomplète) dont les fonctions peuvent être assurées par des circuits intégrés analogiques-numériques :

• convertisseurs numérique-analogique (DAC) et analogique-numérique (ADC);
• multiplexeurs analogiques (alors que les (dé)multiplexeurs numériques sont des circuits intégrés purement numériques, les multiplexeurs analogiques contiennent des éléments logiques numériques (généralement un décodeur) et peuvent contenir des circuits analogiques) ;
• émetteurs-récepteurs (par exemple, émetteur-récepteur d'interface réseau Ethernet);
• modulateurs et démodulateurs;
  • modems radio;
  • télétexte, décodeurs de texte radio VHF ;
  • Émetteurs-récepteurs Fast Ethernet et ligne optique ;
  • Connexion commutée modems;
  • récepteurs de télévision numérique ;
  • capteur optique de souris d'ordinateur;
• microcircuits d'alimentation pour appareils électroniques - stabilisateurs, convertisseurs de tension, interrupteurs de puissance, etc.;
• atténuateurs numériques;
• circuits à boucle à verrouillage de phase (PLL);
• générateurs et restaurateurs de fréquence de synchronisation d'horloge;
• Cristaux matriciels de base (BMC) : contient à la fois des circuits analogiques et numériques.

Série de puces

Les microcircuits analogiques et numériques sont produits en série. Une série est un groupe de microcircuits qui ont une conception et une conception technologique uniques et sont destinés à une utilisation commune. En règle générale, les microcircuits de la même série ont les mêmes tensions d'alimentation et sont adaptés en termes de résistances d'entrée et de sortie et de niveaux de signal.

Logements

Boîtiers CI à montage en surface

Microensemble à microcircuit à cadre ouvert soudé sur un circuit imprimé

Noms spécifiques

Marché mondial

En 2017, le marché mondial des circuits intégrés était évalué à 700 milliards de dollars.

Le 12 septembre 1958, Jack Kilby, employé de Texas Instruments (TI), a présenté à la direction un étrange appareil : un appareil composé de deux morceaux de silicium mesurant 11,1 x 1,6 mm collés avec de la cire d'abeille sur un substrat de verre. Il s'agissait d'une maquette tridimensionnelle - un prototype de circuit intégré (CI) de générateur, prouvant la possibilité de fabriquer tous les éléments de circuit à partir d'un seul matériau semi-conducteur. Cette date est célébrée dans l’histoire de l’électronique comme l’anniversaire des circuits intégrés.

Les circuits intégrés (puces, CI) comprennent appareils électroniques de complexité variable, dans laquelle tous les éléments similaires sont fabriqués simultanément dans un seul cycle technologique, c'est-à-dire en utilisant une technologie intégrée. Contrairement à cartes de circuits imprimés(dans lequel tous les conducteurs de connexion sont fabriqués simultanément en un seul cycle en utilisant une technologie intégrée), les résistances, les condensateurs, les diodes et les transistors sont formés de la même manière dans les circuits intégrés. De plus, de nombreux circuits intégrés sont fabriqués simultanément, de plusieurs dizaines à plusieurs milliers.

Auparavant, deux groupes de circuits intégrés étaient distingués : hybrides et semi-conducteurs.

Dans les circuits intégrés hybrides (HIC), tous les conducteurs et éléments passifs sont formés à la surface d'un substrat de microcircuit (généralement en céramique) à l'aide d'une technologie intégrée. Les éléments actifs sous forme de diodes, de transistors et de cristaux IC semi-conducteurs sont installés sur le substrat individuellement, manuellement ou automatiquement.

Dans les circuits intégrés semi-conducteurs, les éléments de connexion, passifs et actifs sont formés en un seul cycle technologique à la surface du matériau semi-conducteur avec invasion partielle de son volume à l'aide de méthodes de diffusion. Dans le même temps, plusieurs dizaines à plusieurs milliers de circuits intégrés sont fabriqués sur une plaquette semi-conductrice.

Les premiers circuits intégrés hybrides.

GIS est le produit du développement évolutif des micromodules et de la technologie de montage de cartes céramiques. Par conséquent, ils sont passés inaperçus : il n'y a pas de date de naissance généralement acceptée du SIG ni d'auteur généralement reconnu.

Les circuits intégrés à semi-conducteurs étaient un résultat naturel et inévitable du développement de la technologie des semi-conducteurs, mais ils nécessitaient la génération de nouvelles idées et la création de nouvelles technologies, qui ont à la fois leur date de naissance et leurs auteurs.

Les premiers circuits intégrés hybrides et semi-conducteurs sont apparus en URSS et aux États-Unis presque simultanément et indépendamment les uns des autres.

À la fin des années 40, la société Centralab aux États-Unis a développé les principes de base pour la fabrication de cartes de circuits imprimés à base de céramique à couche épaisse.

Et au début des années 1950, la société RCA a inventé la technologie des couches minces : en pulvérisant sous vide divers matériaux et en les déposant à travers un masque sur des substrats spéciaux, elle a appris à produire simultanément de nombreux films miniatures connectant des conducteurs, des résistances et des condensateurs sur un seul appareil. substrat en céramique

Par rapport à la technologie des couches épaisses, la technologie des couches minces offrait la possibilité de fabriquer plus précisément des éléments topologiques de plus petite taille, mais nécessitait un équipement plus complexe et plus coûteux. Les appareils fabriqués sur des cartes céramiques utilisant la technologie des couches épaisses ou des couches minces sont appelés « circuits hybrides ».

Mais le micromodule est devenu un circuit intégré hybride au moment où des transistors et des diodes non emballés y étaient utilisés et où la structure était scellée dans un boîtier commun.

EN URSS

Les premiers SIG (modules de type « Kvant », plus tard désignés série IS 116) en URSS ont été développés en 1963 au NIIRE (plus tard NPO Leninets, Leningrad) et la même année, son usine pilote a commencé leur production en série. Dans ces SIG, les circuits intégrés semi-conducteurs « R12-2 », développés en 1962 par l'usine de dispositifs semi-conducteurs de Riga, ont été utilisés comme éléments actifs.

Sans aucun doute, les modules Kvant ont été les premiers au monde SIG à intégrer deux niveaux : ils utilisaient des circuits intégrés à semi-conducteurs plutôt que des transistors discrets comme éléments actifs.

AUX ETATS-UNIS

L'apparition du SIG à couche épaisse, comme base d'éléments principaux du nouvel ordinateur IBM System/360, a été annoncée pour la première fois par IBM en 1964.

Les circuits intégrés à semi-conducteurs de la série "Micrologic" de Fairchild et "SN-51" de TI étaient encore inaccessibles et d'un coût prohibitif pour une utilisation commerciale, construisant un grand ordinateur. Par conséquent, IBM Corporation, prenant comme base la conception d'un micromodule plat, a développé sa série de SIG à couches épaisses, annoncée sous le nom général (par opposition à « micromodules ») est « modules SLT » (Solid Logic Technology - technologie logique solide. Habituellement, le mot « solide » est traduit en russe par « solide » », ce qui est absolument illogique. En effet, le terme « modules SLT » « a été introduit par IBM par opposition au terme « micromodule » et devrait refléter leur différence. Le mot « solide » a d'autres significations - « solide », " ensemble", qui soulignent avec succès la différence entre "modules SLT" et "micromodules"

Le module SLT était une microplaque carrée en céramique à film épais avec des broches verticales enfoncées. Des conducteurs de connexion et des résistances ont été appliqués sur sa surface par sérigraphie et des transistors non emballés ont été installés. Des condensateurs, si nécessaire, ont été installés à côté du module SLT

Bien qu'extérieurement presque identiques (les micromodules sont légèrement plus hauts), les modules SLT diffèrent des micromodules plats par leur densité d'éléments plus élevée, leur faible consommation d'énergie, leurs hautes performances et leur haute fiabilité.

De plus, la technologie SLT était assez facile à automatiser, de sorte qu'elle pouvait être produite à un coût suffisamment bas pour être utilisée dans des équipements commerciaux. C'est exactement ce dont IBM avait besoin. À la suite d'IBM, d'autres sociétés ont commencé à produire des SIG, pour lesquels les SIG sont devenus un produit commercial.

Début février 2014, c'est le cinquante-cinquième anniversaire de l'apparition dans la communauté mondiale d'une partie intégrante de la technologie des circuits modernes comme le circuit intégré.

Nous vous rappelons qu'en 1959, l'Office fédéral des brevets des États-Unis d'Amérique a délivré un brevet à Texas Instruments pour la création d'un circuit intégré.

Cet événement a été marqué comme la naissance de l’ère de l’électronique et de tous les avantages découlant de son utilisation.

En effet, le circuit intégré constitue la base de la plupart des appareils électriques que nous connaissons.

L'idée de créer un circuit intégré est apparue pour la première fois au début des années cinquante du siècle dernier. Le principal argument en faveur de son apparition était la miniaturisation et la réduction du coût des appareils électriques. Pendant longtemps, les réflexions sur sa mise en œuvre étaient simplement dans l'air, malgré le fait que des branches de la technologie des circuits telles que la télévision et la radio, ainsi que la technologie informatique, se développaient activement dans le monde.

La création d'un circuit intégré impliquait l'abandon des fils, panneaux de montage et isolation inutiles dans la production de circuits utilisant des diodes et des transistors semi-conducteurs. Cependant, pendant longtemps, personne n’a réussi à réaliser de telles pensées. Ce n'est qu'après le travail actif d'un ingénieur aussi talentueux et connu des scientifiques modernes que Jack Kilby (lauréat du prix Nobel de physique pour l'invention du circuit intégré en 2000) que le premier microcircuit a été présenté en 1958. Près de six mois plus tard, l'invention est brevetée par l'entreprise pour laquelle Kilby travaillait (Texas Instruments).

Bien sûr, nous pouvons désormais affirmer que le premier microcircuit du scientifique allemand Kilby était totalement inutilisable. Cependant, de plus en plus de circuits intégrés ont été créés sur cette base, parmi lesquels la technologie de Robert Noyce - une puce planaire en silicium.

R. Noyce a occupé un poste élevé chez Fairchald Semiconductor, plus précisément, il en a été l'un des fondateurs. Le travail de Noyce a été breveté presque immédiatement après l'obtention du brevet de Kilby. Cependant, contrairement à la puce de Kilby, le développement de Noyce a gagné en popularité auprès des principaux fabricants d’équipements électriques. Cela a provoqué un différend entre Texas Instruments et Fairchald Semiconductor et un litige ultérieur jusqu'en 1969. En conséquence, Noyce a été nommé le premier inventeur des microcircuits. Bien que cette coïncidence de circonstances n'ait pas du tout contrarié les propriétaires des deux sociétés. Quelques années plus tôt, ils étaient parvenus à une décision unanime et reconnaissaient les deux scientifiques comme les fondateurs du circuit intégré avec des droits égaux, en leur attribuant les plus hautes récompenses de la communauté scientifique et technique américaine - la Médaille nationale de la science et la Médaille nationale de la technologie. .

Si vous fouillez profondément dans le passé, vous pouvez affirmer avec certitude qu'avant que Noyce et Kilby n'introduisent le microcircuit dans le monde, un assez grand nombre de scientifiques ont travaillé sur cette idée et ont proposé des conceptions non moins avancées. Parmi eux se trouve l'ingénieur Werner Jacobi (Allemagne). Son développement fut même breveté en 1949. Dans le brevet, l'ingénieur a esquissé la conception d'un microcircuit composé de 5 transistors sur un substrat commun. Plus tard, en 1952, le principe de l'intégration des composants du circuit en une seule unité fut décrit par l'ingénieur anglais D. Dammer. Cinq ans plus tard, Jeffrey Dummer a annoncé le premier exemple fonctionnel d'une bascule à circuit intégré basée sur quatre transistors. Malheureusement, les spécialistes militaires anglais n'ont pas apprécié l'invention de Dummer, alors qu'ils auraient dû l'apprécier. En conséquence, tous les travaux du scientifique ont été suspendus. Plus tard, l'invention de Dummer a été appelée l'ancêtre des microcircuits modernes, et le scientifique lui-même a été appelé le prophète du circuit intégré.

En 1957, les États-Unis d'Amérique ont accepté une demande de brevet déposée par un autre ingénieur, Bernard Oliver, pour la technologie qu'il a décrite pour produire un bloc monolithique utilisant trois transistors planaires.

Parmi les noms des prophètes du microcircuit moderne figurent les initiales de l'ingénieur Harvick Johnson, qui a breveté plusieurs types de création de composants électroniques de circuits sur une seule puce, mais n'a jamais reçu un seul document permettant la mise en œuvre de ses découvertes. L'une de ces méthodes a été utilisée par Jack Kilby, qui a reçu tous les lauriers de Johnson.

6 février 1959, il y a exactement 55 ans, L'Office fédéral des brevets des États-Unis a délivré un brevet pour l'invention d'un circuit intégré à Texas Instruments. Ainsi, la naissance de la technologie a été officiellement reconnue, sans laquelle, aujourd'hui, nous n'aurions pas à portée de main la grande majorité des appareils électroniques que nous connaissons et les capacités qui leur sont associées.

L'idée d'un circuit intégré à la fin des années 50, comme on dit, était dans l'air. Le transistor a déjà été créé ; le développement rapide des circuits de radio et de télévision, sans parler de la technologie informatique, exigeait de trouver des solutions de miniaturisation ; Le marché de consommation avait besoin d'équipements moins chers. L'idée de jeter tout le superflu d'un circuit utilisant des transistors et des diodes semi-conducteurs (panneaux de montage, fils, boîtiers et isolants), en rassemblant son essence en une seule « brique » - les jonctions n-p - devait inévitablement venir à l'esprit de quelqu'un.

Et c’est ce qui s’est passé. Elle est arrivée. De plus, plusieurs ingénieurs talentueux à la fois, mais un seul d'entre eux est aujourd'hui considéré comme le « père du circuit intégré » - Jack Kilby, employé de Texas Instruments, qui a reçu le prix Nobel de physique en 2000 pour l'invention de le circuit intégré. Le 24 juillet 1958, il note l'idée d'un nouvel appareil dans son journal de travail ; le 12 septembre, il présente un échantillon fonctionnel du microcircuit, préparé et déposé une demande de brevet, et le reçoit le 6 février 1959. .

En toute honnêteté, il faut admettre que la conception de la puce au germanium de Kilby était pratiquement inadaptée au développement industriel, ce qui n'est pas le cas de la puce planaire en silicium développée par Robert Noyce.

Robert Noyce, qui a travaillé chez Fairchald Semiconductor (il était l'un des fondateurs de cette société), presque simultanément et indépendamment de Kilby, a développé sa propre version de la conception du circuit intégré, l'a breveté et... a plongé Texas Instruments et Fairchald Semiconductor dans une guerre continue des brevets depuis 10 ans, qui a pris fin le 6 novembre 1969 avec la décision de la Cour d'appel des brevets et des douanes des États-Unis, selon laquelle l'unique inventeur du microcircuit devait être considéré... Robert Noyce ! La Cour suprême des États-Unis a confirmé cette décision.

Cependant, même avant le verdict du tribunal, en 1966, les sociétés ont convenu de se reconnaître mutuellement comme des droits égaux sur le circuit intégré, et les deux inventeurs, Kilby et Noyce, ont reçu les mêmes récompenses les plus prestigieuses de la communauté scientifique et technique américaine : Médaille nationale. des sciences et Médaille nationale de la technologie.

Mais il y en avait d’autres qui, bien avant Kilby et Noyce, ont formulé le principe de conception et ont même breveté un circuit intégré. L'ingénieur allemand Werner Jacobi, dans son brevet de 1949, dessine la conception d'un microcircuit de 5 transistors sur un substrat commun. Le 7 mai 1952, l'ingénieur radio anglais Geoffrey Dummer a décrit le principe de l'intégration des composants de circuit en une seule unité dans son discours public lors d'un symposium sur les composants électroniques à Washington (Jack Kilby, d'ailleurs, était également présent à ce symposium) ; en 1957, il a présenté un exemple fonctionnel du premier déclencheur de circuit intégré au monde à 4 transistors. Les spécialistes du département militaire britannique n'ont pas compris le nouveau produit et n'ont pas apprécié son potentiel. Les travaux ont été clôturés. Par la suite, Dummer fut surnommé le « prophète du circuit intégré » dans son pays natal et fut invité à participer à de nombreux projets nationaux et internationaux pour le développement des technologies électroniques.

Aux États-Unis, en octobre de la même année, Bernard Oliver dépose une demande de brevet décrivant un procédé de fabrication d'un bloc monolithique de trois transistors planaires. Le 21 mai 1953, l'ingénieur Harvick Johnson a soumis une proposition concernant plusieurs façons de former divers composants de circuits électroniques sur une seule puce. C'est drôle que l'une des options proposées par Johnson ait été mise en œuvre et brevetée indépendamment par Jack Kilby 6 ans plus tard. Incroyable!

Des biographies détaillées de tous les inventeurs du circuit intégré, des descriptions des événements et des circonstances des grandes inventions, oserais-je le dire, peuvent être facilement trouvées par n'importe qui aujourd'hui : tout cela se trouve sur Internet. À l'occasion de l'anniversaire du microcircuit, je voudrais « donner la parole » à tous les trois : Jeffrey Dummer, Jack Kilby et Robert Noyce. À différents moments des entretiens, ils ont partagé leurs souvenirs de « comment c’était », leurs pensées et leurs expériences. J'ai choisi quelques dictons que j'ai trouvé intéressants...

Jeffrey Dummer :
« Avec l'avènement du transistor et les travaux sur les semi-conducteurs en général, il semble aujourd'hui que la question de la création d'équipements électroniques sous forme d'un bloc massif sans aucun fil de connexion puisse se poser. Ce bloc peut être constitué de couches de matériaux isolants, conducteurs, redresseurs et amplificateurs de signal. Définir les fonctions électroniques des composants et les connecter correctement peut être réalisé en découpant des sections de couches individuelles.
« Dans l’un de mes livres, j’ai expliqué la raison de mon échec comme étant une grande fatigue causée par des guerres bureaucratiques interminables, mais ce n’est peut-être pas la seule raison. Le fait est que personne ne voulait prendre de risques. Le ministère de la Guerre ne conclura pas de contrat pour un appareil qui n'a pas été mis aux normes industrielles. Certains développeurs ne voulaient pas se lancer dans une tâche qui leur était inconnue. C'est une situation de poule et d'œuf. Les Américains sont des aventuriers financiers, et dans ce pays (c'est-à-dire l'Angleterre). - Yu.R.) tout se passe trop lentement.»

Jack Kilby :
« Après l’apparition du transistor, il y a eu un regain d’intérêt pour ce qu’on a commencé il y a quelque temps à appeler la « miniaturisation ». Cela n'a jamais été une fin en soi, mais pour un grand nombre d'applications, il semblait très pratique de rassembler plusieurs composants en un seul endroit et de les emballer hermétiquement. Et puis la Marine a lancé un projet sur les fusibles de proximité. Ils avaient vraiment besoin d’un appareil où tous les composants électroniques seraient assemblés sur une plaque ne dépassant pas un pouce carré. Ils avaient déjà dépensé pas mal d'argent, mais n'avaient toujours pas obtenu ce qu'ils voulaient... Le transistor a résolu tous les problèmes. En général, hier et aujourd'hui, si vous avez un nouveau produit et qu'il intéresse l'armée, ou si vous pouvez l'organiser de manière à ce qu'il intéresse l'armée, alors, en règle générale, vous aurez aucun problème pour travailler car vous aurez du financement. C’était vrai à cette époque lointaine, et c’est encore vrai aujourd’hui.

« La principale motivation pour travailler sur un circuit intégré était de réduire le coût de production des équipements. Certes, à cette époque, je n'imaginais pas vraiment l'ampleur de la réduction possible des coûts et à quel point le facteur bon marché élargirait le champ d'application de l'électronique dans des domaines complètement différents. En 1958, un seul transistor au silicium, qui ne se vendait pas non plus très bien, coûtait environ 10 dollars. Aujourd’hui, 10 dollars permettent d’acheter plus de 100 millions de transistors. Je n'aurais pas pu prévoir cela. Et je suis sûr que personne n’imaginait que cela était possible.

« Nous avons commencé à développer le premier microcalculateur (photo) afin d'élargir le marché des circuits intégrés : le marché de masse est important pour eux. Nous avons vendu les premières calculatrices 500 dollars, aujourd'hui elles se vendent entre 4 et 5 dollars et sont devenues un produit jetable. Il s’agit de la question des prix moins chers.

« L’invention du circuit intégré est-elle ma plus grande réussite dans la vie ? Oh, certainement ! . »

Robert Noyce :
« Chez Fairchild, nous avons commencé à travailler sur un projet d'ingénierie que les militaires appelaient « ingénierie moléculaire ». Il a été financé par l'Armée de l'Air. On supposait que nous devions créer une sorte de structure, construite à partir de structures molécule sur molécule ou même atome sur atome. Et une telle structure devrait remplir les fonctions d’un appareil électronique. Ce n'était pas exactement notre profil, puisque la force de l'industrie électronique a toujours été de synthétiser quelque chose à partir d'éléments simples, plutôt que d'essayer d'inventer un élément complexe. Des éléments de circuit simples sont créés : condensateurs, résistances, éléments amplificateurs, diodes, etc., puis la fonction requise est synthétisée à partir d'eux. Fondamentalement, quelque chose ne va pas avec l’ingénierie moléculaire.

« Vous vous demandez si c'était avant tout une décision marketing de se lancer dans les circuits intégrés. Je crois que non. Je pense que la plupart des avancées de ce type n’ont pas été prédites par les spécialistes du marketing et n’ont pas été consciemment préparées par eux. Ils sont plutôt issus de la logique Le progrès technique. Cette époque pourrait être caractérisée ainsi : « Maintenant, nous pouvons le faire. Pourquoi n’essayes-tu pas de le vendre ? Et aujourd’hui, quelqu’un du marketing vient et dit : « Si nous avions ceci, nous pourrions le vendre. » Sentez-vous où est la différence ? Dans le cas du circuit intégré, le plus excitant était le sentiment que ce dispositif existait. Tout le monde a. Les militaires, les civils... Vous voyez, tout le monde !