Il primo circuito integrato. La storia dell'invenzione del circuito integrato. abbattendo il costo delle attrezzature

introduzione

Dall'avvento dei primi computer, gli sviluppatori di software hanno sognato un hardware progettato per risolvere il loro particolare problema. Pertanto, l'idea di creare speciali circuiti integrati che possono essere affilati per l'efficace attuazione di un'attività specifica è apparsa molto tempo fa. Ci sono due percorsi di sviluppo qui:

• L'uso dei cosiddetti circuiti integrati specializzati su misura (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Come suggerisce il nome, tali microcircuiti sono realizzati dai produttori hardware sotto l'ordine per l'effettiva attuazione di alcuni specifici compiti o serie di compiti. Non hanno universalità, come i microcircuiti convenzionali, ma risolvono i compiti loro assegnati molte volte più velocemente, a volte per ordini di grandezza.
• Creazione di chip con architettura riconfigurabile. L'idea è che tali chip arrivino allo sviluppatore o all'utente del software in uno stato non programmato e che possa implementare su di essi l'architettura che gli si addice meglio. Diamo un'occhiata più da vicino al loro processo di sviluppo.

Nel tempo è apparso un gran numero di vari microcircuiti con architettura riconfigurabile (Fig. 1).

Fig. 1 Varietà di chip con architettura riconfigurabile

Per molto tempo sono esistiti sul mercato solo dispositivi PLD (Programmable Logic Device). Questa classe include dispositivi che implementano le funzioni necessarie per risolvere i compiti sotto forma di disgiuntivo perfetto forma normale(perfetto ritiro). I primi a comparire nel 1970 furono i microcircuiti PROM, che appartengono appunto alla classe dei dispositivi PLD. Ogni circuito aveva una matrice fissa di funzioni logiche AND collegate a un insieme programmabile di funzioni logiche OR. Ad esempio, si consideri una PROM con 3 ingressi (a,b e c) e 3 uscite (w,x e y) (Fig. 2).

Riso. 2. Chip PROM

Con l'aiuto di un array predefinito AND, tutte le possibili congiunzioni vengono implementate sulle variabili di input, che possono quindi essere combinate arbitrariamente utilizzando elementi OR. Pertanto, in uscita, qualsiasi funzione di tre variabili può essere implementata come un perfetto DNF. Ad esempio, se si programmano gli elementi OR cerchiati in rosso nella Figura 2, gli output saranno le funzioni w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Inizialmente, i chip PROM erano progettati per memorizzare istruzioni di programma e valori costanti, ad es. per svolgere le funzioni della memoria del computer. Tuttavia, gli sviluppatori li utilizzano anche per implementare semplici funzioni logiche. Infatti, la PROM del chip può essere utilizzata per implementare qualsiasi blocco logico, purché abbia un numero ridotto di ingressi. Questa condizione deriva dal fatto che la matrice di elementi AND è rigidamente definita nei microcircuiti EPROM - in essa sono realizzate tutte le possibili congiunzioni dagli input, ovvero il numero di elementi AND è uguale a 2 * 2 n, dove n è il numero degli input. È chiaro che all'aumentare del numero n, la dimensione dell'array cresce molto rapidamente.

Successivamente, nel 1975, apparvero i cosiddetti array logici programmabili (PLM). Sono una continuazione dell'idea dei microcircuiti PROM: anche il PLA è costituito da array AND e OR, tuttavia, a differenza di PROM, entrambi gli array sono programmabili. Ciò consente una maggiore flessibilità in tali microcircuiti, ma non sono mai stati comuni perché i segnali impiegano molto più tempo a viaggiare attraverso connessioni programmabili che a viaggiare attraverso le loro controparti predefinite.

Per risolvere il problema della velocità insito nei PLA, alla fine degli anni '70 apparve la seguente classe di dispositivi, chiamata Programmable Array Logic (PAL - Programmable Array Logic). Un ulteriore sviluppo dell'idea dei chip PAL è stata l'emergere dei dispositivi GAL (Generic Array Logic), varietà più complesse di PAL che utilizzano transistor CMOS. Qui viene utilizzata un'idea che è esattamente l'opposto dell'idea dei microcircuiti PROM: una matrice programmabile di elementi AND è collegata a una matrice predefinita di elementi OR (Fig. 3).

Riso. 3. Dispositivo PAL non programmato

Ciò impone una limitazione alla funzionalità, tuttavia, tali dispositivi richiedono array di dimensioni molto inferiori rispetto ai microcircuiti PROM.

La logica continuazione dei PLD semplici è stata l'emergere dei cosiddetti PLD complessi, costituiti da diversi blocchi di PLD semplici (di solito i dispositivi PAL sono usati come PLD semplici), uniti da una matrice di commutazione programmabile. Oltre ai blocchi PLD stessi, è stato possibile programmare anche le connessioni tra di loro utilizzando questa matrice di commutazione. I primi PLD complessi sono apparsi alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80 del XX secolo, ma lo sviluppo principale in questa direzione è avvenuto nel 1984, quando Altera ha introdotto un PLD complesso basato su una combinazione di tecnologie CMOS ed EPROM.

L'avvento degli FPGA

All'inizio degli anni '80, c'era un divario tra i principali tipi di dispositivi nell'ambiente ASIC digitale. Da un lato, c'erano PLD che possono essere programmati per ogni compito specifico e sono abbastanza facili da produrre, ma non possono essere utilizzati per implementare funzioni complesse. D'altra parte, ci sono ASIC che possono implementare funzioni estremamente complesse, ma hanno un'architettura rigidamente fissa, mentre sono lunghi e costosi da produrre. Era necessario un collegamento intermedio e i dispositivi FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sono diventati tale collegamento.

Gli FPGA, come i PLD, sono dispositivi programmabili. La principale differenza fondamentale tra FPGA e PLD è che le funzioni in FPGA sono implementate non con l'aiuto di DNF, ma con l'aiuto di tabelle di ricerca programmabili (tabelle LUT). In queste tabelle, i valori delle funzioni vengono specificati utilizzando una tabella di verità, dalla quale viene selezionato il risultato richiesto utilizzando un multiplexer (Fig. 4):

Riso. 4. Tabella delle corrispondenze

Ogni dispositivo FPGA è costituito da blocchi logici programmabili (Configurable Logic Blocks - CLB), che sono interconnessi da connessioni, anch'esse programmabili. Ciascuno di questi blocchi è destinato alla programmazione di alcune funzioni o parte di esse, tuttavia può essere utilizzato per altri scopi, ad esempio come memoria.

Nei primi dispositivi FPGA, sviluppati a metà degli anni '80, il blocco logico era molto semplice e conteneva una tabella LUT a 3 ingressi, un flip-flop e un piccolo numero di elementi ausiliari. I moderni dispositivi FPGA sono molto più complicati: ogni blocco CLB è costituito da 1-4 "fette" (fetta), ognuna delle quali contiene diverse tabelle LUT (di solito 6 ingressi), diversi trigger e un gran numero di elementi di servizio. Ecco un esempio di un moderno "taglio":

Riso. 5. Il dispositivo del moderno "taglio"

Conclusione

Poiché i dispositivi PLD non possono implementare funzioni complesse, continuano ad essere utilizzati per implementare funzioni semplici in dispositivi portatili e comunicazioni, mentre i dispositivi FPGA che vanno da 1000 gate (il primo FPGA, sviluppato nel 1985) a questo momento ha superato i 10 milioni di valvole (famiglia Virtex-6). Si stanno sviluppando attivamente e stanno già sostituendo i chip ASIC, consentendo di implementare una varietà di funzioni estremamente complesse, senza perdere la possibilità di riprogrammare.

L'attuazione di queste proposte in quegli anni non poteva avvenire a causa dell'insufficiente sviluppo della tecnologia.

Alla fine del 1958 e nella prima metà del 1959 si verificò una svolta nell'industria dei semiconduttori. Tre persone in rappresentanza di tre società private americane hanno risolto tre problemi fondamentali che impedivano la creazione di circuiti integrati. Jack Kilby di Strumenti texani brevettò il principio di unificazione, creò i primi, imperfetti, prototipi IS e li portò alla produzione di massa. Kurt Lehovec di Sprague Electric Company ha inventato un metodo di isolamento elettrico dei componenti formati su un singolo cristallo semiconduttore (isolamento mediante una giunzione p-n (ing. Isolamento della giunzione P–n)). Robert Noyce di Semiconduttore Fairchild ha inventato un modo connessione elettrica componenti IC (placcatura in alluminio) e ha proposto una versione migliorata dell'isolamento dei componenti basata sulla più recente tecnologia planare di Jean Ernie (Ing. Jean Hoerni). 27 settembre 1960 La band di Jay Last Jay ultimo) creato Semiconduttore Fairchild primo lavoro semiconduttore IP sulle idee di Noyce ed Ernie. Strumenti texani, che possedeva il brevetto per l'invenzione di Kilby, scatenò una guerra sui brevetti contro i concorrenti, che si concluse nel 1966 con un accordo transattivo sulla licenza incrociata della tecnologia.

I primi circuiti integrati logici della serie menzionata sono stati costruiti letteralmente da standard componenti le cui dimensioni e configurazioni sono state specificate processo tecnologico. Gli ingegneri di circuito che hanno progettato circuiti integrati logici di una particolare famiglia operavano con gli stessi tipici diodi e transistor. Nel 1961-1962 il paradigma del design è stato infranto dallo sviluppatore principale Silvia Tom Longo, per la prima volta usando vari configurazione dei transistor a seconda delle loro funzioni nel circuito. Alla fine del 1962 Silvia ha lanciato la prima famiglia di logica transistor-transistor (TTL) sviluppata da Longo - storicamente il primo tipo di logica integrata che è riuscita a prendere piede nel mercato per molto tempo. Nei circuiti analogici, una svolta di questo livello fu fatta nel 1964-1965 dallo sviluppatore di amplificatori operazionali Fairchild Bob Widlar.

Il primo microcircuito domestico fu creato nel 1961 presso il TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) sotto la guida di L. N. Kolesov. Questo evento ha attirato l'attenzione della comunità scientifica del paese e TRTI è stata approvata come leader nel sistema del Ministero dell'istruzione superiore sul problema della creazione di apparecchiature microelettroniche ad alta affidabilità e dell'automazione della sua produzione. Lo stesso L. N. Kolesov è stato nominato presidente del Consiglio di coordinamento per questo problema.

Il primo nel film spesso ibrido dell'URSS circuito integrato(serie 201 "Path") è stato sviluppato nel 1963-65 presso il Research Institute of Precision Technology ("Angstrem"), produzione in serie dal 1965. Gli specialisti del NIEM (ora Argon Research Institute) hanno preso parte allo sviluppo.

Il primo circuito integrato a semiconduttore in URSS è stato creato sulla base della tecnologia planare, sviluppata all'inizio del 1960 al NII-35 (poi ribattezzato Pulsar Research Institute) da un team, successivamente trasferito al NIIME ("Mikron") . La creazione del primo circuito integrato in silicio domestico era incentrata sullo sviluppo e la produzione con accettazione militare di una serie di circuiti integrati in silicio TC-100 (37 elementi - l'equivalente della complessità del circuito di un flip-flop, un analogo dell'americano Serie IC SN-51 imprese Strumenti texani). Prototipi e campioni di produzione di circuiti integrati in silicio per la riproduzione sono stati ottenuti dagli Stati Uniti. Il lavoro è stato svolto presso NII-35 (direttore Trutko) e Fryazinsky Semiconductor Plant (direttore Kolmogorov) sotto un ordine di difesa per l'uso in un altimetro autonomo di un sistema di guida di missili balistici. Lo sviluppo includeva sei tipici circuiti integrati planari in silicio della serie TS-100 e, con l'organizzazione della produzione pilota, richiese tre anni al NII-35 (dal 1962 al 1965). Ci vollero altri due anni per padroneggiare la produzione in fabbrica con l'accettazione militare a Fryazino (1967).

Parallelamente, il lavoro sullo sviluppo di un circuito integrato è stato svolto presso il Central Design Bureau presso lo stabilimento Voronezh di dispositivi a semiconduttore (ora -). Nel 1965, durante una visita alla VZPP del Ministro dell'Industria Elettronica A. I. Shokin, l'impianto fu incaricato di svolgere lavori di ricerca sulla creazione di un circuito monolitico di silicio - R & S "Titan" (Ordine del Ministero n. 92 del 16 agosto , 1965), che era in anticipo rispetto al programma completato entro la fine dell'anno. L'argomento è stato presentato con successo alla Commissione di Stato e una serie di 104 circuiti logici a diodi-transistor è diventata il primo risultato fisso nel campo della microelettronica a stato solido, che si è riflesso nell'ordine del Ministero dello Sviluppo Economico del 30 dicembre, 1965 n. 403.

Livelli di progettazione

Attualmente (2014), la maggior parte dei circuiti integrati sono progettati utilizzando sistemi CAD specializzati, che consentono di automatizzare e velocizzare notevolmente i processi di produzione, ad esempio ottenendo fotomaschere topologiche.

Classificazione

Grado di integrazione

A seconda del grado di integrazione, vengono utilizzati i seguenti nomi di circuiti integrati:

• piccolo circuito integrato (MIS) - fino a 100 elementi in un cristallo,
• circuito integrato medio (SIS) - fino a 1000 elementi in un cristallo,
• grande circuito integrato (LSI) - fino a 10 mila elementi in un cristallo,
• circuito integrato molto grande (VLSI): più di 10 mila elementi in un cristallo.

In precedenza, ora venivano usati anche nomi obsoleti: un circuito integrato su larga scala (ULSI) - da 1-10 milioni a 1 miliardo di elementi in un cristallo e, a volte, un circuito integrato giga-large (GBIS) - più di 1 miliardi di elementi in un cristallo. Attualmente, negli anni 2010, i nomi "UBIS" e "GBIS" non sono praticamente utilizzati e tutti i microcircuiti con più di 10mila elementi sono classificati come VLSI.

Tecnologia di produzione

Microassemblaggio ibrido STK403-090 rimosso dalla custodia

• Microcircuito semiconduttore: tutti gli elementi e le interconnessioni sono realizzati su un singolo cristallo semiconduttore (ad esempio silicio, germanio, arseniuro di gallio).

• Circuito integrato del film: tutti gli elementi e le interconnessioni sono realizzati sotto forma di film:
  • circuito integrato a film spesso;
  • circuito integrato a film sottile.
• Un chip ibrido (spesso indicato come microassemblaggio), contiene diversi diodi nudi, transistor nudi e/o altri componenti elettronici attivi. Il microassieme può anche includere circuiti integrati non impacchettati. I componenti di microassiemi passivi (resistori, condensatori, induttori) sono generalmente fabbricati utilizzando tecnologie a film sottile o a film spesso su un substrato comune, solitamente ceramico, del microcircuito ibrido. L'intero substrato con i componenti è collocato in un unico alloggiamento sigillato.
• Microcircuito misto - oltre a un cristallo semiconduttore, contiene elementi passivi a film sottile (film spesso) posti sulla superficie del cristallo.

Tipo di segnale elaborato

• Analogico-digitale.

Tecnologie di produzione

Tipi logici

L'elemento principale dei circuiti analogici sono i transistor (bipolari o di campo). La differenza nella tecnologia di produzione dei transistor influisce in modo significativo sulle caratteristiche dei microcircuiti. Pertanto, spesso nella descrizione del microcircuito, viene indicata la tecnologia di produzione per enfatizzare caratteristiche generali proprietà e capacità del microcircuito. IN moderne tecnologie combinare le tecnologie di bipolare e transistor ad effetto di campo per migliorare le prestazioni dei chip.

• I microcircuiti su transistor unipolari (effetto di campo) sono i più economici (in termini di consumo di corrente):
  • Logica MOS (logica a semiconduttore di ossido di metallo): i microcircuiti sono formati da transistor ad effetto di campo N-MOS o P-tipo MOS;
  • Logica CMOS (logica MOS complementare) - ciascuna elemento logico il microcircuito è costituito da una coppia di transistor ad effetto di campo complementari (complementari) ( N-MOS e P-MOS).
• Microcircuiti su transistor bipolari:
  • RTL - logica resistore-transistor (obsoleta, sostituita da TTL);
  • DTL - logica diodo-transistor (obsoleta, sostituita da TTL);
  • TTL - logica transistor-transistor - i microcircuiti sono costituiti da transistor bipolari con transistor multi-emettitore all'ingresso;
  • TTLSh - logica transistor-transistor con diodi Schottky - un TTL migliorato che utilizza transistor bipolari con effetto Schottky;
  • ESL - logica accoppiata all'emettitore - su transistor bipolari, la cui modalità operativa è scelta in modo tale da non entrare in modalità saturazione, il che aumenta notevolmente la velocità;
  • IIL - logica a iniezione integrale.
• Microcircuiti che utilizzano sia transistor ad effetto di campo che bipolari:

Utilizzando lo stesso tipo di transistor, i microcircuiti possono essere costruiti utilizzando diverse metodologie, come statica o dinamica.

Le tecnologie CMOS e TTL (TTLS) sono le logiche chip più comuni. Dove è necessario risparmiare il consumo di corrente, viene utilizzata la tecnologia CMOS, dove la velocità è più importante e non è richiesto il risparmio del consumo energetico, viene utilizzata la tecnologia TTL. Il punto debole dei microcircuiti CMOS è la vulnerabilità all'elettricità statica: è sufficiente toccare con la mano l'uscita del microcircuito e la sua integrità non è più garantita. Con lo sviluppo delle tecnologie TTL e CMOS, i microcircuiti si stanno avvicinando in termini di parametri e, di conseguenza, ad esempio, la serie di microcircuiti 1564 è realizzata utilizzando la tecnologia CMOS e la funzionalità e il posizionamento nella custodia sono simili a quelli di TTL tecnologia.

I chip prodotti utilizzando la tecnologia ESL sono i più veloci, ma anche i più energivori e sono stati utilizzati nella produzione di informatica nei casi in cui il parametro più importante era la velocità di calcolo. In URSS, i computer più produttivi del tipo ES106x sono stati fabbricati su microcircuiti ESL. Ora questa tecnologia è usata raramente.

Processo tecnologico

Nella fabbricazione dei microcircuiti si utilizza il metodo della fotolitografia (proiezione, contatto, ecc.), mentre il circuito viene formato su un substrato (solitamente silicio) ottenuto tagliando monocristalli di silicio in sottili wafer con dischi diamantati. A causa della piccolezza delle dimensioni lineari degli elementi del microcircuito, l'uso della luce visibile e persino della radiazione ultravioletta vicina durante l'illuminazione è stato abbandonato.

I seguenti processori sono stati fabbricati utilizzando la luce UV (laser ad eccimeri ArF, lunghezza d'onda 193 nm). In media, l'introduzione di nuovi processi tecnici da parte dei leader del settore secondo il piano ITRS è avvenuta ogni 2 anni, raddoppiando il numero di transistor per unità di superficie: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) , la produzione a 14 nm è iniziata nel 2014 , lo sviluppo dei processi a 10 nm è previsto intorno al 2018.

Nel 2015 si stimava che l'introduzione di nuovi processi tecnici rallenterà.

Controllo di qualità

Per controllare la qualità dei circuiti integrati, sono ampiamente utilizzate le cosiddette strutture di test.

Scopo

Un circuito integrato può avere una funzionalità completa e arbitrariamente complessa, fino a un intero microcomputer (microcomputer a chip singolo).

Circuiti analogici

Analogico integrato (micro)schema (AIS, OBIETTIVI) - un circuito integrato, i cui segnali di ingresso e uscita cambiano secondo la legge di una funzione continua (ovvero sono segnali analogici).

Un campione di laboratorio di un circuito integrato analogico è stato creato da Texas Instruments negli Stati Uniti nel 1958. Era un generatore di sfasamento. Nel 1962 apparve la prima serie di microcircuiti analogici: SN52. Aveva un amplificatore a bassa frequenza a bassa potenza, un amplificatore operazionale e un amplificatore video.

In URSS, alla fine degli anni '70, fu ottenuto un vasto assortimento di circuiti integrati analogici. Il loro utilizzo ha permesso di aumentare l'affidabilità dei dispositivi, semplificare la configurazione delle apparecchiature e spesso addirittura eliminare la necessità Manutenzione durante l'operazione.

Di seguito è riportato un elenco parziale di dispositivi le cui funzioni possono essere eseguite da circuiti integrati analogici. Spesso un microcircuito ne sostituisce diversi contemporaneamente (ad esempio, K174XA42 contiene tutti i nodi di un ricevitore radio FM supereterodina).

• Filtri (compresi quelli basati sull'effetto piezoelettrico).
• moltiplicatori analogici.
• Attenuatori analogici e amplificatori variabili.
• Stabilizzatori di alimentazione: stabilizzatori di tensione e corrente.
• Microcircuiti di controllo degli alimentatori a commutazione.
• Convertitori di segnale.
• Vari sensori.

I microcircuiti analogici sono utilizzati nell'amplificazione del suono e nelle apparecchiature di riproduzione del suono, nei videoregistratori, nei televisori, nella tecnologia della comunicazione, negli strumenti di misura, nei computer analogici, ecc.

Nei computer analogici

• Amplificatori operazionali (LM101, μA741).

Negli alimentatori

Chip stabilizzatore di tensione KR1170EN8

• Stabilizzatori di tensione lineari (KR1170EN12, LM317).
• Stabilizzatori di tensione di commutazione (LM2596, LM2663).

In videocamere e macchine fotografiche

• Sensori CCD (ICX404AL).
• Righelli CCD (MLX90255BA).

Negli apparecchi di amplificazione e riproduzione del suono

• Amplificatori di potenza a frequenza audio (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Dual UMZCH per apparecchiature stereo (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Vari controlli (K174UN10 - UMZCH a due canali con controllo elettronico della risposta in frequenza, K174UN12 - volume a due canali e controllo del bilanciamento).

Negli strumenti di misura Nei trasmettitori e ricevitori radio

• Rilevatori di segnali AM (K175DA1).
• Rilevatori di segnale FM (K174UR7).
• Miscelatori (K174PS1).
• Amplificatori ad alta frequenza (K157XA1).
• Amplificatori a frequenza intermedia (K157XA2, K171UR1).
• Ricevitori radio a chip singolo (K174XA10).

Sui televisori

• Nel canale radio (K174UR8 - amplificatore con AGC, rilevatore di immagini e suoni IF, K174UR2 - amplificatore di tensione dell'immagine IF, rilevatore sincrono, preamplificatore segnale video, sistema di controllo automatico del guadagno chiave).
• Nel canale del colore (K174AF5 - modellatore di segnali di colore R, G, B, K174XA8 - interruttore elettronico, amplificatore di limitazione e demodulatore di segnali di informazioni sul colore).
• Nei nodi della scansione (K174GL1 - generatore di scansione del frame).
• Nei circuiti di commutazione, sincronizzazione, correzione e controllo (K174AF1 - selettore di ampiezza di un segnale di sincronizzazione, generatore di impulsi di frequenza orizzontale, unità di regolazione automatica del segnale di frequenza e fase, generatore di impulsi driver di scansione orizzontale, K174UP1 - amplificatore di segnale di luminosità, regolatore elettronico oscillazione del segnale di uscita e livello del nero).

Produzione

La transizione a dimensioni inferiori al micron degli elementi integrali complica la progettazione di AIMS. Ad esempio, i MOSFET con una lunghezza di gate ridotta presentano una serie di caratteristiche che ne limitano l'uso nei blocchi analogici: un elevato livello di rumore di sfarfallio a bassa frequenza; una forte diffusione della tensione di soglia e della pendenza, che porta alla comparsa di una grande tensione di offset di amplificatori differenziali e operazionali; resistenza a basso segnale a bassa uscita e amplificazione di cascate con un carico attivo; bassa tensione di rottura delle giunzioni p-n e gap drain-source, che provoca una diminuzione della tensione di alimentazione e una diminuzione gamma dinamica.

Attualmente, i microcircuiti analogici sono prodotti da molte aziende: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, ecc.

Circuiti digitali

Circuito integrato digitale(microcircuito digitale) è un microcircuito integrato progettato per convertire ed elaborare segnali che cambiano secondo la legge di una funzione discreta.

I circuiti integrati digitali si basano su interruttori a transistor che possono trovarsi in due stati stabili: aperto e chiuso. L'uso di interruttori a transistor consente di creare vari circuiti logici, trigger e altri circuiti integrati. I circuiti integrati digitali sono utilizzati in dispositivi di elaborazione di informazioni discrete di computer elettronici (computer), sistemi di automazione, ecc.

• Convertitori tampone
• (Micro)processori (comprese le CPU per computer)
• Chip e moduli di memoria
• FPGA (circuiti integrati logici programmabili)

I circuiti integrati digitali presentano una serie di vantaggi rispetto a quelli analogici:

• Consumo energetico ridotto associato all'uso di segnali elettrici a impulsi nell'elettronica digitale. Quando si ricevono e convertono tali segnali, gli elementi attivi dei dispositivi elettronici (transistor) funzionano in modalità "chiave", ovvero il transistor è "aperto" - che corrisponde a un segnale di alto livello (1) o "chiuso" - (0), nel primo caso sul transistor non c'è caduta di tensione, nel secondo - non scorre corrente attraverso di esso. In entrambi i casi, il consumo energetico è vicino a 0, contrariamente ai dispositivi analogici, in cui i transistor si trovano per la maggior parte del tempo in uno stato intermedio (attivo).
• Elevata immunità al rumore dispositivi digitali è associato a una grande differenza tra segnali di livello alto (ad esempio, 2,5-5 V) e basso (0-0,5 V). Un errore di stato è possibile a un livello di interferenza tale che un livello alto viene interpretato come un livello basso e viceversa, il che è improbabile. Inoltre, dentro dispositivi digitaliè possibile utilizzare codici speciali che consentono di correggere gli errori.
• Una grande differenza nei livelli degli stati dei segnali di livello alto e basso ("0" e "1" logici) e una gamma abbastanza ampia delle loro modifiche consentite rende la tecnologia digitale insensibile all'inevitabile diffusione dei parametri degli elementi nella tecnologia integrata, elimina la necessità di selezionare i componenti e configurare gli elementi di regolazione nei dispositivi digitali.

Circuiti analogico-digitali

Circuito integrato analogico-digitale(microcircuito analogico-digitale) - un circuito integrato progettato per convertire segnali che cambiano secondo la legge di una funzione discreta, in segnali che cambiano secondo la legge di una funzione continua e viceversa.

Spesso un microcircuito svolge le funzioni di più dispositivi contemporaneamente (ad esempio, gli ADC ad approssimazioni successive contengono un DAC, quindi possono eseguire conversioni bidirezionali). Elenco dei dispositivi (incompleto), le cui funzioni possono essere eseguite da circuiti integrati da analogico a digitale:

• convertitori digitale-analogico (DAC) e analogico-digitale (ADC);
• multiplexer analogici (mentre i (de) multiplexer digitali sono circuiti integrati puramente digitali, i multiplexer analogici contengono elementi logici digitali (di solito un decodificatore) e possono contenere circuiti analogici);
• ricetrasmettitori (ad esempio, un ricetrasmettitore di interfaccia di rete ethernet);
• modulatori e demodulatori;
  • modem radio;
  • decoder per televideo, radiotesto VHF;
  • Ricetrasmettitori Fast Ethernet e linee ottiche;
  • dial-up modem;
  • ricevitori TV digitali;
  • sensore ottico del mouse del computer;
• chip di alimentazione per dispositivi elettronici - stabilizzatori, convertitori di tensione, interruttori di alimentazione, ecc.;
• attenuatori digitali;
• circuiti ad anello ad aggancio di fase (PLL);
• generatori e restauratori di orologi;
• cristalli di matrice di base (BMC): contiene sia circuiti analogici che digitali.

Serie di chip

I microcircuiti analogici e digitali sono prodotti in serie. Una serie è un gruppo di microcircuiti che hanno un design unico e un design tecnologico e sono destinati all'uso congiunto. I microcircuiti della stessa serie, di norma, hanno le stesse tensioni degli alimentatori, sono abbinati in termini di resistenze di ingresso e uscita, livelli di segnale.

Corpo

Pacchetti di circuiti integrati destinati al montaggio superficiale

Microassemblaggio con un microcircuito frameless saldato su un circuito stampato

Titoli specifici

Mercato mondiale

Nel 2017, il mercato globale dei circuiti integrati era stimato a 700 miliardi di dollari.

Il 12 settembre 1958, un dipendente di Texas Instruments (TI) Jack Kilby dimostrò alla direzione uno strano dispositivo: un dispositivo incollato con cera d'api su un substrato di vetro da due pezzi di silicio che misuravano 11,1x1,6 mm. Era un layout tridimensionale: un prototipo di un circuito integrato (IC) di un generatore, che dimostrava la possibilità di fabbricare tutti gli elementi del circuito basati su un singolo materiale semiconduttore. Questa data è celebrata nella storia dell'elettronica come il compleanno dei circuiti integrati.

I circuiti integrati (microcircuiti, circuiti integrati) includono dispositivi elettronici di varia complessità, in cui tutti gli elementi dello stesso tipo sono fabbricati contemporaneamente in un unico ciclo tecnologico, vale a dire dalla tecnologia integrata. A differenza di circuiti stampati(in cui tutti i conduttori di collegamento sono fabbricati contemporaneamente in un unico ciclo utilizzando la tecnologia integrata) resistori, condensatori, diodi e transistor sono formati in modo simile nei circuiti integrati. Inoltre, molti circuiti integrati vengono prodotti contemporaneamente, da decine a migliaia

In precedenza, si distinguevano due gruppi di circuiti integrati: ibrido e semiconduttore

Nei circuiti integrati ibridi (HIC), tutti i conduttori e gli elementi passivi sono formati sulla superficie di un substrato di microcircuito (solitamente realizzato in ceramica) utilizzando una tecnologia integrata. Gli elementi attivi sotto forma di diodi senza pacchetto, transistor e chip IC a semiconduttore sono installati sul substrato singolarmente, manualmente o automaticamente

Nei circuiti integrati a semiconduttore, gli elementi di collegamento, passivi e attivi si formano in un unico ciclo tecnologico sulla superficie di un materiale semiconduttore con una parziale intrusione nel suo volume mediante metodi di diffusione. Allo stesso tempo, su un wafer semiconduttore vengono prodotti da diverse decine a diverse migliaia di circuiti integrati

I primi circuiti integrati ibridi.

GIS è un prodotto dello sviluppo evolutivo dei micromoduli e della tecnologia delle lastre ceramiche. Pertanto, sono apparsi impercettibilmente, non esiste una data di nascita generalmente accettata di GIS e un autore generalmente riconosciuto.

I circuiti integrati a semiconduttore erano un risultato naturale e inevitabile dello sviluppo della tecnologia dei semiconduttori, ma richiedevano la generazione di nuove idee e la creazione di nuove tecnologie che hanno le proprie date di nascita e i propri autori.

I primi circuiti integrati ibridi e semiconduttori sono apparsi in URSS e negli Stati Uniti quasi contemporaneamente e indipendentemente l'uno dall'altro.

Alla fine degli anni '40, Centralab negli Stati Uniti sviluppò i principi di base per la produzione di circuiti stampati a base ceramica a film spesso.

E nei primi anni '50 la RCA inventò la tecnologia del film sottile: spruzzando vari materiali sottovuoto e depositandoli attraverso una maschera su speciali substrati, imparò a produrre contemporaneamente tanti film in miniatura collegando conduttori, resistenze e condensatori su un unico substrato ceramico .

Rispetto alla tecnologia a film spesso, la tecnologia a film sottile ha fornito la possibilità di una produzione più accurata di elementi di topologia più piccoli, ma richiede attrezzature più complesse e costose. I dispositivi fabbricati su lastre di ceramica utilizzando la tecnologia a film spesso o a film sottile sono chiamati "circuiti ibridi"

Ma il micromodulo è diventato un circuito integrato ibrido nel momento in cui sono stati utilizzati transistor e diodi senza pacchetto e la struttura è stata sigillata in un alloggiamento comune

IN URSS

I primi GIS (moduli del tipo “Kvant”, successivamente denominati IS serie 116) in URSS furono sviluppati nel 1963 presso NIIRE (poi NPO Leninets, Leningrado) e nello stesso anno il suo impianto pilota iniziò la produzione in serie. In questi GIS, sono stati utilizzati come elementi attivi circuiti integrati a semiconduttore "P12-2", sviluppati nel 1962 dallo stabilimento di dispositivi a semiconduttore di Riga

Indubbiamente, i moduli Kvant sono stati i primi GIS al mondo con integrazione a due livelli: come elementi attivi non hanno utilizzato transistor discreti senza cornice, ma circuiti integrati a semiconduttore

NEGLI USA

La comparsa del GIS a film spesso come base dell'elemento principale del nuovo computer IBM System /360 fu annunciata per la prima volta da IBM Corporation nel 1964

I circuiti integrati a semiconduttore della serie "Micrologic" di Fairchild e "SN-51" di TI erano ancora inaccessibilmente rari e proibitivi per uso commerciale, costruendo un computer mainframe. Pertanto, IBM, prendendo come base il progetto di un micromodulo piatto, ha sviluppato la propria serie di GIS a film spesso, annunciata con un nome comune (al contrario di "micromoduli") - "SLT-modules" (Solid Logic Technology - tecnologia logica solida. Di solito la parola "solido" è tradotta in russo come "solido" , il che è assolutamente illogico. In effetti, il termine "moduli SLT " è stato introdotto da IBM in contrasto con il termine "micromodulo" e dovrebbe riflettere la loro differenza. La parola "solido" ha altri significati: "solido", "intero" , che sottolineano con successo la differenza tra "moduli SLT" e "micromoduli"

Il modulo SLT era una micropiastra quadrata in ceramica a film spesso con perni verticali inseriti a pressione. Conduttori e resistori di collegamento sono stati applicati alla sua superficie mediante serigrafia e sono stati installati transistor senza pacchetto. I condensatori, se necessario, sono stati installati accanto al modulo SLT

Con un aspetto quasi identico (i micromoduli sono leggermente più alti), i moduli SLT differivano dai micromoduli piatti per una maggiore densità di elementi, basso consumo energetico, alta velocità e alta affidabilità.

Inoltre, la tecnologia SLT era abbastanza facile da automatizzare, quindi potevano essere prodotti a un costo sufficientemente basso da essere utilizzati in apparecchiature commerciali. Questo è esattamente ciò di cui IBM aveva bisogno. Dopo IBM, il GIS iniziò ad essere prodotto da altre società per le quali il GIS divenne un prodotto commerciale.

Nei primi giorni di febbraio 2014 è stato celebrato il cinquantacinquesimo anniversario della comparsa nella comunità mondiale di una parte così integrante dei circuiti moderni come un circuito integrato.

Ricordiamo che nel 1959 il Federal Patent Office degli Stati Uniti d'America ha rilasciato un brevetto alla Texas Instruments per la realizzazione di un circuito integrato.

Questo evento è stato ricordato come la nascita dell'era dell'elettronica e di tutti i vantaggi derivanti dal suo utilizzo.

In effetti, il circuito integrato è la base della maggior parte degli apparecchi elettrici a noi noti.

Per la prima volta l'idea di creare un circuito integrato è nata nei primi anni Cinquanta del secolo scorso. L'argomento principale per il suo aspetto era la miniaturizzazione e la riduzione del costo degli apparecchi elettrici. Per molto tempo, i pensieri sulla sua implementazione erano semplicemente nell'aria, nonostante il fatto che tali rami di circuiti come la televisione e la radio, così come la tecnologia informatica, si stessero attivamente sviluppando nel mondo.

La creazione di un circuito integrato ha comportato il rifiuto di cavi extra, pannelli di montaggio, isolamento nella produzione di circuiti basati su diodi e transistor a semiconduttore. Tuttavia, per molto tempo nessuno è stato in grado di realizzare tali idee. Solo dopo il lavoro attivo di un ingegnere così talentuoso e famoso come Jack Kilby (vincitore del Premio Nobel per la Fisica per l'invenzione del circuito integrato nel 2000), nel 1958 fu introdotto il primo microcircuito. Quasi sei mesi dopo, l'invenzione fu brevettata dalla società per cui Kilby lavorava (Texas Instruments).

Certo, ora possiamo affermare che il primo microcircuito dello scienziato tedesco Kilby era completamente inutilizzabile. Tuttavia, sulla sua base furono creati tutti i circuiti integrati successivi, uno dei quali era la tecnologia di Robert Noyce: un microcircuito planare in silicio.

R. Noyce occupava una posizione elevata in Fairchald Semiconductor, più precisamente, era uno dei suoi fondatori. Il lavoro di Noyce è stato brevettato quasi immediatamente dopo la concessione del brevetto di Kilby. Tuttavia, a differenza del chip Kilby, il design di Noyce era richiesto dai principali produttori di elettricità. Ciò ha causato una controversia tra Texas Instruments e Fairchald Semiconductor e un successivo contenzioso fino al 1969. Di conseguenza, Noyce è stato nominato il primo inventore di microcircuiti. Sebbene una tale combinazione di circostanze non abbia affatto turbato i proprietari di entrambe le società. Alcuni anni prima, giunsero a una decisione unanime e riconobbero entrambi gli scienziati come fondatori di un circuito integrato con gli stessi diritti, assegnando loro i più alti riconoscimenti delle comunità scientifiche e ingegneristiche statunitensi: la National Medal of Science e la National Medal of Tecnologia.

Se scavi bene nel passato, puoi affermare con sicurezza che prima che Noyce e Kilby introducessero il microcircuito nel mondo, un numero piuttosto elevato di scienziati ha lavorato a questa idea, che ha offerto progetti non meno avanzati. Tra loro c'è l'ingegnere Werner Jacobi (Germania). Il suo sviluppo è stato persino brevettato nel 1949. Nel brevetto, l'ingegnere ha abbozzato il progetto di un microcircuito di 5 transistor su un substrato comune. Successivamente, nel 1952, il principio dell'integrazione dei componenti del circuito in una singola unità fu descritto dall'ingegnere inglese D. Dummer. Dopo altri cinque anni, Jeffrey Dummer ha annunciato il primo campione funzionante di un circuito flip-flop integrato basato su quattro transistor. Sfortunatamente, gli specialisti britannici delle unità militari non apprezzarono le invenzioni di Dammer, anche se avrebbero dovuto. Di conseguenza, tutto il lavoro dello scienziato è stato sospeso. Successivamente, l'invenzione di Dummer fu definita la progenitrice dei moderni microcircuiti e lo stesso scienziato fu chiamato il profeta del circuito integrato.

Nel 1957, negli Stati Uniti d'America, un altro ingegnere Bernard Oliver fece domanda di brevetto per la tecnologia da lui descritta per la produzione di un blocco monolitico su tre transistor planari.

Tra i nomi dei profeti del moderno microcircuito ci sono le iniziali dell'ingegnere Harvick Johnson, che ha brevettato diversi tipi di creazione di componenti elettronici di circuiti su un singolo chip contemporaneamente, ma non ha mai ricevuto un solo documento che consentisse di realizzare le sue scoperte. Uno di questi metodi è stato utilizzato da Jack Kilby, che ha ottenuto tutti gli allori di Johnson.

6 febbraio 1959, esattamente 55 anni fa, L'ufficio brevetti federale degli Stati Uniti ha concesso a Texas Instruments un brevetto per l'invenzione di un circuito integrato. È stata così ufficialmente riconosciuta la nascita della tecnologia, senza la quale oggi non avremmo a portata di mano la stragrande maggioranza dei dispositivi elettronici a noi familiari e le capacità ad essi associate.

L'idea di un circuito integrato alla fine degli anni '50, come si suol dire, era nell'aria. Il transistor è già stato creato; i circuiti radiofonici e televisivi in ​​rapido sviluppo, per non parlare della tecnologia informatica, richiedevano la ricerca di soluzioni per la miniaturizzazione; il mercato dei consumatori aveva bisogno di attrezzature più economiche. L'idea di buttare via tutto il superfluo dal circuito su transistor e diodi a semiconduttore (pannelli di montaggio, fili, custodie e isolanti), raccogliendo la sua essenza - giunzioni n-p - in un "mattone" - doveva inevitabilmente venire in mente a qualcuno.

E così è successo. Venni. Inoltre, diversi ingegneri di talento contemporaneamente, ma solo uno di loro è oggi considerato il "padre del circuito integrato": Jack Kilby, un dipendente di Texas Instruments, che nel 2000 ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica per l'invenzione di il circuito integrato. Il 24 luglio 1958 annotò l'idea di un nuovo dispositivo nel suo diario di lavoro, il 12 settembre dimostrò un campione funzionante del microcircuito, preparò e depositò una domanda di brevetto e il 6 febbraio 1959 lo ricevette .

Ad essere onesti, il design del microcircuito al germanio di Kilby era praticamente inadatto allo sviluppo industriale, cosa che non si può dire del microcircuito planare al silicio sviluppato da Robert Noyce.

Robert Noyce, che ha lavorato presso Fairchald Semiconductor (è stato anche uno dei fondatori di questa azienda), quasi contemporaneamente e indipendentemente da Kilby, ha sviluppato la sua versione del progetto di un circuito integrato, lo ha brevettato e ... ha immerso Texas Instruments e Fairchald Semiconductor in una continua guerra sui brevetti per 10 anni, che terminò il 6 novembre 1969 con la decisione della Corte d'appello statunitense per i brevetti e le dogane, secondo la quale l'unico inventore del microcircuito dovrebbe essere considerato ... Robert Noyce! La Corte Suprema degli Stati Uniti ha confermato questa decisione.

Tuttavia, anche prima del verdetto del tribunale, nel 1966, le società accettarono di riconoscersi reciprocamente uguali diritti sul circuito integrato, ed entrambi gli inventori - Kilby e Noyce ricevettero gli stessi più alti riconoscimenti dalle comunità scientifiche e ingegneristiche statunitensi: la National Medal of La scienza e la medaglia nazionale della tecnologia.

Ma ci furono altri che, molto prima di Kilby e Noyce, formularono il principio di progettazione e brevettarono persino il circuito integrato. L'ingegnere tedesco Werner Jacobi, nel suo brevetto del 1949, disegna un circuito di 5 transistor su un substrato comune. Il 7 maggio 1952, l'ingegnere radiofonico inglese Jeffrey Dummer descrisse il principio dell'integrazione dei componenti del circuito in una singola unità nel suo discorso pubblico a un simposio sui componenti elettronici a Washington (anche Jack Kilby, tra l'altro, era presente a questo simposio); nel 1957 presentò un prototipo funzionante del primo flip-flop integrato a 4 transistor al mondo. Gli specialisti del dipartimento militare dell'Inghilterra non hanno compreso la novità e non ne hanno apprezzato il potenziale. I lavori sono stati chiusi. Successivamente, in patria, Dummer è stato chiamato il "profeta del circuito integrato", è stato invitato a partecipare a molti progetti nazionali e internazionali per lo sviluppo di tecnologie elettroniche.

Negli Stati Uniti nell'ottobre dello stesso anno, Bernard Oliver ha depositato una domanda di brevetto, in cui descriveva un metodo per fabbricare un blocco monolitico di tre transistor planari. Il 21 maggio 1953, l'ingegnere Harvick Johnson ha presentato una domanda per diversi modi per formare una varietà di componenti di circuiti elettronici in un singolo chip. È divertente che una delle opzioni proposte da Johnson sia stata implementata e brevettata in modo indipendente da Jack Kilby 6 anni dopo. Eccezionale!

Biografie dettagliate di tutti gli inventori del circuito integrato, descrizioni di eventi e circostanze delle grandi, non temo la parola, le invenzioni oggi possono essere trovate facilmente da chiunque: tutto questo è sul web. Io, nel giorno del compleanno del microcircuito, vorrei “dare la parola” a tutti e tre: Jeffrey Dummer, Jack Kilby e Robert Noyce. In varie occasioni in un'intervista, hanno condiviso i loro ricordi "com'era", i loro pensieri ed esperienze. Ho scelto alcune affermazioni che mi sembravano interessanti...

Geoffrey Dummer:
“Con l'avvento del transistor e del lavoro sui semiconduttori in generale, oggi sembra possibile porsi la questione della creazione di apparecchiature elettroniche sotto forma di un blocco solido senza fili di collegamento. Questo blocco può essere costituito da strati di materiali isolanti, conduttivi, rettificatori e di amplificazione del segnale. Impostare le funzioni elettroniche dei componenti e collegarli correttamente può essere fatto ritagliando parti dei singoli strati.
“In uno dei miei libri, ho spiegato il motivo del mio fallimento come molto stanco per le infinite guerre burocratiche, ma forse non è solo questo. Il fatto è che nessuno voleva correre rischi. Il Dipartimento della Guerra non stipulerà un contratto per un dispositivo che non sia stato portato a un design industriale. Alcuni sviluppatori non volevano affrontare un caso a loro sconosciuto. Questa è una situazione di pollo e uova. Gli americani sono avventurieri finanziari, e in questo paese (che significa Inghilterra. - Yu.R.) tutto sta andando troppo lentamente.

Jack Kilby:
“Dopo che il transistor è entrato in scena, c'è stato un rinnovato interesse per quella che qualche tempo fa è stata chiamata “miniaturizzazione”. Non è mai stato fine a se stesso, ma per un numero enorme di applicazioni sembrava molto conveniente raccogliere più componenti in un unico posto e imballarli più strettamente. E poi c'è la Marina che ha avviato un progetto sulle micce di prossimità. Avevano davvero bisogno di un dispositivo in cui tutti i componenti elettronici fossero assemblati su una piastra da pollici quadrati, non di più. Avevano già speso una discreta quantità di denaro, ma non hanno mai ottenuto ciò che volevano ... Il transistor ha risolto tutti i problemi. In generale, allora e ora, se hai un nuovo prodotto ed è di interesse per i militari, o puoi organizzarlo in modo tale che sia di interesse per i militari, allora di norma lavorerai senza problemi, perché avrai finanziamenti. Era vero in quei tempi lontani, è vero adesso».

“Il motivo principale per lavorare sul circuito integrato era ridurre il costo delle apparecchiature di produzione. È vero, a quel tempo non immaginavo davvero l'entità della possibile riduzione del prezzo e quanto il fattore economicità avrebbe ampliato il campo di applicazione dell'elettronica in ambiti completamente diversi. Nel 1958, un transistor al silicio, anch'esso poco venduto, costava circa 10 dollari. Oggi, $ 10 possono acquistare oltre 100 milioni di transistor. Non avrei potuto prevederlo. E sono sicuro che nessuno immaginava la possibilità di questo.

“Abbiamo iniziato a sviluppare il primo microcalcolatore (nella foto) per espandere il mercato dei circuiti integrati: per loro il mercato di massa è importante. Le prime calcolatrici le vendevamo a 500 dollari, oggi si vendono a 4-5 dollari e sono diventate un prodotto usa e getta. Si tratta della questione della riduzione dei costi.

“L'invenzione del circuito integrato è la mia più grande conquista nella vita? Oh, sicuramente!..”

Roberto Noyce:
"A Fairchild, abbiamo iniziato a lavorare su un progetto di ingegneria che i militari chiamavano "ingegneria molecolare". È stato finanziato dall'Aeronautica Militare. Avremmo dovuto creare una sorta di struttura costruita da costruzioni molecola su molecola o addirittura atomo su atomo. E una tale struttura dovrebbe svolgere le funzioni di un dispositivo elettronico. Non era esattamente il nostro profilo, perché la forza dell'industria elettronica è sempre stata quella di sintetizzare qualcosa da elementi semplici, e non tentare di inventare un elemento complesso. Vengono creati elementi circuitali semplici: condensatori, resistori, elementi di amplificazione, diodi, ecc., E quindi la funzione richiesta viene sintetizzata da essi. In generale, qualcosa è andato storto con l'ingegneria molecolare.

“Mi chiedi se è stata principalmente una decisione di marketing quella di entrare nei circuiti integrati. Penso di no. Penso che la maggior parte dei risultati di questo tipo non siano stati previsti dai professionisti del marketing e non siano stati preparati consapevolmente da loro. Piuttosto sono nati dalla logica progresso tecnico. Quel tempo potrebbe essere descritto come segue: “Ora possiamo farlo. Perché non provi a venderlo?" E oggi arriva qualcuno del marketing e dice: "Se avessimo questo, potremmo venderlo". Riesci a sentire dov'è la differenza? Nel caso del circuito integrato, la cosa più entusiasmante è stata la sensazione che ci fosse bisogno di questo dispositivo. Tutti hanno. Per i militari, per i civili ... Vedi, per tutti!