Првото интегрирано коло. Историјата на пронајдокот на интегрираното коло. намалување на трошоците за опрема

Вовед

Од појавата на првите компјутери, развивачите на софтвер сонуваа за хардвер дизајниран да го реши токму нивниот проблем. Затоа, идејата за создавање специјални интегрирани кола кои можат да се прилагодат за ефикасно извршување на одредена задача се појави веќе подолго време. Постојат два развојни патеки овде:

• Употребата на таканаречените специјализирани сопствени интегрирани кола (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Како што сугерира името, таквите чипови се направени од производители хардверприлагодено за ефикасно извршување на одредена задача или опсег на задачи. Тие ја немаат разновидноста на конвенционалните микроциркути, но задачите што им се доделени ги решаваат многу пати побрзо, понекогаш по редови на големина.
• Создавање на микроциркути со архитектура која може да се конфигурира. Идејата е таквите чипови да пристигнуваат до развивачот или корисникот на софтвер во непрограмирана состојба, а тој да може на нив да ја имплементира архитектурата што најмногу му одговара. Ајде внимателно да го разгледаме процесот на нивното формирање.

Со текот на времето, се појавија голем број различни чипови со реконфигурациона архитектура (сл. 1).

Сл. 1 Разновидност на чипови со архитектура која може да се конфигурира

Долго време на пазарот постоеја само PLD (Programmable Logic Device). Оваа класа вклучува уреди кои ги имплементираат функциите неопходни за решавање на доделените проблеми во форма на совршена дисјунктивна нормална форма(совршен DNF). Први кои се појавија во 1970 година беа EEPROM чиповите, кои специфично припаѓаат на класата PLD уреди. Секое коло имаше фиксна низа од И логички функции поврзани со програмабилно множество од ИЛИ логички функции. На пример, разгледајте PROM со 3 влезови (a, b и c) и 3 излези (w, x и y) (сл. 2).

Ориз. 2. ПРОМ чип

Користејќи претходно дефинирана AND низа, се имплементираат сите можни сврзници преку влезните променливи, кои потоа може произволно да се комбинираат со помош на елементите ИЛИ. Така, на излезот можете да имплементирате која било функција од три променливи во форма на совршен DNF. На пример, ако ги програмирате оние ИЛИ елементи кои се заокружени со црвено на Слика 2, тогаш излезите ќе ги произведат функциите w=a x=(a&b) ; y=(а&б)^в.

Првично, PROM чиповите беа наменети за складирање на програмски инструкции и константни вредности, т.е. за извршување на функциите на компјутерската меморија. Сепак, програмерите ги користат и за имплементација на едноставни логички функции. Всушност, PROM-от на чипот може да се користи за имплементација на кој било логичен блок, под услов да има мал број на влезови. Овој услов произлегува од фактот дека во микроциркулите EEPROM матрицата на AND елементите е строго дефинирана - во неа се имплементирани сите можни сврзници од влезовите, односно бројот на AND елементи е еднаков на 2 * 2 n, каде што n е број на влезови. Јасно е дека како што се зголемува бројот n, големината на низата расте многу брзо.

Следно, во 1975 година се појавија таканаречените програмибилни логички низи (PLM). Тие се продолжение на идејата за PROM на микроциркути - PLM исто така се состојат од AND и OR низи, меѓутоа, за разлика од PROM, и двете низи се програмабилни. Ова обезбедува поголема флексибилност за таквите чипови, но тие никогаш не биле вообичаени бидејќи на сигналите им е потребно многу подолго за да патуваат низ програмибилни врски отколку преку нивните предефинирани колеги.

Со цел да се реши проблемот со брзината својствен за PLM, дополнителна класа на уреди наречена логика на програмабилна низа (PAL) се појави во доцните 1970-ти. Понатамошен развој на идејата за чипови PAL беше појавата на уредите GAL (Generic Array Logic) - посложени сорти на PAL користејќи CMOS транзистори. Идејата што се користи овде е токму спротивна од идејата за чиповите на PROM - програмабилна низа од AND елементи е поврзана со претходно дефинирана низа од елементи ИЛИ (сл. 3).

Ориз. 3. Непрограмиран PAL уред

Ова наметнува ограничување на функционалноста, меѓутоа, таквите уреди бараат низи со многу помала големина отколку кај чиповите EPROM.

Логично продолжение на едноставните PLD беше појавата на таканаречените сложени PLD, составени од неколку блокови едноставни PLD (обично PAL уредите се користат како едноставни PLD), обединети со програмабилна преклопна матрица. Покрај самите PLD блокови, исто така беше можно да се програмираат врските меѓу нив со помош на оваа матрица на прекинувачот. Првите сложени PLD се појавија во доцните 70-ти и раните 80-ти години на 20 век, но главниот развој на оваа област се случи во 1984 година, кога Altera воведе комплексен PLD врз основа на комбинација на CMOS и EPROM технологии.

Доаѓањето на FPGA

Во раните 1980-ти, во дигиталната ASIC средина, се отвори јаз помеѓу главните типови уреди. Од една страна, имаше PLD, кои можат да се програмираат за секоја специфична задача и се прилично лесни за производство, но тие не можат да се користат за спроведување на сложени функции. Од друга страна, постојат ASIC кои можат да имплементираат исклучително сложени функции, но имаат цврсто фиксирана архитектура и одземаат многу време и скапи за производство. Потребна беше средна врска, а уредите FPGA (Field Programmable Gate Arrays) станаа таква врска.

FPGA, како и PLD, се програмибилни уреди. Главната фундаментална разлика помеѓу FPGA и PLD е тоа што функциите во FPGA се имплементираат не со користење на DNF, туку со користење на програмабилни табели за пребарување (LUTs). Во овие табели, вредностите на функциите се наведени со помош на табела за вистинитост, од која бараниот резултат се избира со помош на мултиплексер (сл. 4):

Ориз. 4. Табела за кореспонденција

Секој FPGA уред се состои од програмабилни логички блокови (Configurable Logic Blocks - CLBs), кои се меѓусебно поврзани со конекции кои се исто така програмабилни. Секој таков блок е наменет за програмирање на одредена функција или нејзин дел, но може да се користи за други цели, на пример, како меморија.

Во првите FPGA уреди, развиени во средината на 80-тите, логичкиот блок беше многу едноставен и содржеше еден LUT со 3 влезови, еден флип-флоп и мал број на помошни елементи. Современите FPGA уреди се многу посложени: секој CLB блок се состои од 1-4 „парчиња“, од кои секоја содржи неколку LUT табели (обично 6-влезни), неколку предизвикувачи и голем број услужни елементи. Еве пример за модерно „парче“:

Ориз. 5. Уредот на модерен "сече"

Заклучок

Бидејќи уредите PLD не можат да имплементираат сложени функции, тие продолжуваат да се користат за имплементација на едноставни функции во преносни уредии комуникации, додека FPGA уредите кои се движат од 1000 големини на портата (првиот FPGA развиен во 1985 година) овој моментја надмина границата од 10 милиони порти (семејство Virtex-6). Тие активно се развиваат и веќе ги заменуваат чиповите ASIC, овозможувајќи имплементација на различни исклучително сложени функции без губење на способноста за репрограмирање.

Имплементацијата на овие предлози во тие години не можеше да се случи поради недоволниот развој на технологијата.

На крајот на 1958 година и во првата половина на 1959 година, се случи пробив во индустријата за полупроводници. Тројца мажи, претставници на три приватни американски корпорации, решија три фундаментални проблеми кои го спречуваа создавањето на интегрирани кола. Џек Килби од Тексас инструментиго патентирал принципот на комбинација, ги создал првите, несовршени, прототипови на IP и ги донел до масовно производство. Курт Леховец од Sprague Electric Companyизмислил метод за електрично изолациони компоненти формирани на еден полупроводнички чип (изолација на раскрсницата p-n). Изолација на P-n спој)). Роберт Нојс од Ферчајлд полупроводникизмислил начин електрично поврзување IC компоненти (метализација на алуминиум) и предложи подобрена верзија на изолација на компоненти базирана на најновата планарна технологија на Jean Herni. Жан Хоерни). На 27 септември 1960 година, бендот на Џеј Ласт Џеј Ласт) создадена на Ферчајлд полупроводникпрвиот работен полупроводникИП заснована на идеите на Нојс и Ерни. Тексас инструменти, кој го поседуваше патентот за пронајдокот на Килби, го ослободи против конкурентите патентна војна, кој заврши во 1966 година со светски договор за технологии за вкрстено лиценцирање.

Раните логички IC од споменатата серија буквално беа изградени од стандарденкомпоненти чии големини и конфигурации се специфицирани технолошки процес. Дизајнерите на кола кои дизајнирале логички ИЦ од одредено семејство работеле со истите стандардни диоди и транзистори. Во 1961-1962 година водечкиот развивач ја скрши дизајнерската парадигма СилванијаТом Лонго, за прв пат користи различни ИЦ во едно конфигурации на транзистори во зависност од нивните функции во колото. На крајот на 1962 г Силванијаго лансираше првото семејство на транзистор-транзисторска логика (TTL) развиена од Longo - историски првиот тип на интегрирана логика што успеа да добие долгорочна основа на пазарот. Во аналогните кола, пробив на ова ниво беше направен во 1964-1965 година од страна на развивачот на оперативни засилувачи ФерчајлдБоб Видлар.

Првиот домашен микроспој беше создаден во 1961 година во ТРТИ (Радиоинженерски институт Таганрог) под раководство на Л. Н. Колесов. Овој настан го привлече вниманието на научната заедница во земјата, а ТРТИ беше одобрен како лидер во системот на Министерството за високо образование за проблемот со создавање високосигурна микроелектронска опрема и автоматизирање на неговото производство. За претседател на Координативниот совет за овој проблем беше назначен самиот Л.Н.Колесов.

Првиот хибриден дебел филм во СССР Интегрирано коло(серија 201 „Патека“) беше развиена во 1963-65 година во Истражувачкиот институт за прецизна технологија („Ангстрем“), масовно производство од 1965 година. Специјалисти од NIEM (сега Институт за истражување Аргон) учествуваа во развојот.

Првото интегрирано коло за полупроводници во СССР беше создадено врз основа на планарна технологија, развиена во почетокот на 1960 година во NII-35 (тогаш преименуван во Институт за истражување Пулсар) од тим кој подоцна беше префрлен во NIIME („Микрон“). Создавањето на првото домашно силиконско интегрирано коло беше концентрирано на развојот и производството со воено прифаќање на серијата интегрирани силиконски кола TS-100 (37 елементи - еквивалент на сложеноста на колото на флип-флоп, аналог на американскиот IC серија С.Н.-51 компанија Тексас инструменти). Прототипните примероци и производствените примероци на силиконски интегрирани кола за репродукција се добиени од САД. Работата беше извршена во NII-35 (директор Трутко) и фабриката за полупроводници Фрјазино (директор Колмогоров) за наредба за одбрана за употреба во автономна височина за систем за наведување балистички проектили. Развојот вклучуваше шест стандардни интегрирани силиконски рамни кола од серијата TS-100 и, со организацијата на пилотското производство, траеше три години во NII-35 (од 1962 до 1965 година). Беа потребни уште две години за да се развие фабричкото производство со воено прифаќање во Фрјазино (1967).

Паралелно, работата на развојот на интегрирано коло беше спроведена во централното проектантско биро во фабриката за полупроводнички уреди Воронеж (сега -). Во 1965 година, за време на посетата на VZPP од страна на министерот за електронска индустрија А.И. 1965 година), што беше завршено пред предвиденото завршено до крајот на годината. Темата беше успешно поднесена до Државната комисија, а серија од 104 диоди-транзисторски логички микроциркути станаа првото фиксно достигнување во областа на микроелектрониката во цврста состојба, што се одрази во налогот на МЕП бр.403 од 30 декември 1965 година.

Нивоа на дизајн

Во моментов (2014), повеќето интегрирани кола се дизајнирани со помош на специјализирани CAD системи, кои овозможуваат автоматизирање и значително забрзување на производните процеси, на пример, добивање тополошки фотомаски.

Класификација

Степен на интеграција

Во зависност од степенот на интеграција, се користат следните имиња на интегрирани кола:

• мало интегрирано коло (MIS) - до 100 елементи по чип,
• средно интегрирано коло (SIS) - до 1000 елементи по чип,
• големо интегрирано коло (LSI) - до 10 илјади елементи по чип,
• интегрирано коло со ултра големи размери (VLSI) - повеќе од 10 илјади елементи во кристал.

Претходно, сега се користеа и застарени имиња: интегрирано коло со ултра големи размери (ULSI) - од 1-10 милиони до 1 милијарда елементи во кристал и, понекогаш, интегрирано коло со големи размери (GBIC) - повеќе од 1 милијарди елементи во кристал. Во моментов, во 2010-тите, имињата „UBIS“ и „GBIS“ практично не се користат, а сите микроциркули со повеќе од 10 илјади елементи се класифицирани како VLSI.

Технологија на производство

Хибриден микросклоп STK403-090, отстранет од куќиштето

• Полупроводнички чип - сите елементи и меѓуелементски врски се направени на еден полупроводнички кристал (на пример, силициум, германиум, галиум арсенид).

• Филмско интегрирано коло - сите елементи и меѓуелементните врски се направени во форма на филмови:
  • интегрирано коло со дебел филм;
  • интегрирано коло со тенок филм.
• Хибриден чип (често се нарекува микросклопување), содржи неколку диоди, транзистори и/или други електронски активни компоненти. Микросклопот може да вклучува и непакувани интегрирани кола. Пасивните микросклопни компоненти (отпорници, кондензатори, индуктори) обично се произведуваат со користење на технологии со тенок или дебел филм на заедничка, обично керамичка, хибридна подлога за чипови. Целата подлога со компоненти е поставена во едно запечатено куќиште.
• Мешан микроциркут - покрај полупроводничкиот кристал, содржи пасивни елементи со тенок слој (дебел филм) лоцирани на површината на кристалот.

Вид на обработен сигнал

• Аналогно-дигитален.

Производни технологии

Видови логика

Главниот елемент на аналогните микроциркути се транзисторите (биполарно или поле-ефект). Разликата во технологијата на производство на транзистори значително влијае на карактеристиките на микроциркулите. Затоа, технологијата на производство често е означена во описот на микроциркутот со цел да се нагласи општи карактеристикисвојствата и способностите на микроспојот. ВО модерни технологиикомбинираат биполарно и транзистори со ефект на полеза да се постигнат подобрени перформанси на микроциркулите.

• Микроциркулите базирани на униполарни (поле-ефект) транзистори се најекономични (во однос на тековната потрошувачка):
  • MOS логика (метал-оксид-полупроводничка логика) - микроциркулите се формираат од транзистори со ефект на поле n-MOS или стр-МОС тип;
  • CMOS логика (комплементарна MOS логика) - секоја од нив логички елементМикроколото се состои од пар комплементарни (комплементарни) транзистори со ефект на поле ( n-MOS и стр-MOP).
• Микрокола базирана на биполарни транзистори:
  • RTL - логика на отпорник-транзистор (застарена, заменета со TTL);
  • DTL - логика на диода-транзистор (застарена, заменета со TTL);
  • TTL - логика на транзистор-транзистор - микроциркулите се направени од биполарни транзистори со мулти-емитерски транзистори на влезот;
  • TTLSh - логика на транзистор-транзистор со Шотки диоди - подобрен TTL кој користи биполарни транзистори со Шотки ефект;
  • ECL - логика поврзана со емитер - на биполарни транзистори, чиј режим на работа е избран така што тие не влегуваат во режим на сатурација - што значително ги зголемува перформансите;
  • IIL - интегрална логика за инјектирање.
• Микрокола кои користат и биполарни транзистори со ефект на поле:

Со користење на ист тип на транзистори, чипови може да се создадат со користење на различни методологии, како што се статични или динамични.

CMOS и TTL (TTLS) технологиите се најчестите логички чипови. Онаму каде што е неопходно да се заштеди тековната потрошувачка, се користи CMOS технологијата, каде што брзината е поважна и не е потребна заштеда на потрошувачката на енергија, се користи технологијата TTL. Слабата точка на CMOS микроциркулите е нивната ранливост на статички електрицитет - само допрете го излезот на микроциркутот со раката и неговиот интегритет повеќе не е загарантиран. Со развојот на технологиите TTL и CMOS, параметрите на микроциркулите се се поблиску и, како резултат на тоа, на пример, серијата 1564 микроциркути се направени со помош на технологијата CMOS, а функционалноста и поставеноста во куќиштето се слични на технологијата TTL.

Микроциркулите произведени со помош на технологијата ESL се најбрзи, но и најмногу трошат енергија и се користеа во производството компјутерска технологијаво случаи кога најважен параметар била брзината на пресметување. Во СССР, најпродуктивните компјутери од типот ES106x беа произведени на ESL микроциркути. Во денешно време оваа технологија ретко се користи.

Технолошки процес

Во производството на микроциркути се користи методот на фотолитографија (проекција, контакт и сл.), при што колото се формира на подлога (најчесто силициум) добиена со сечење на единечни кристали од силициум со дијамантски дискови во тенки наполитанки. Поради малите линеарни димензии на елементите на микроциркулацијата, употребата на видлива светлина, па дури и блиску до ултравиолетово зрачење за осветлување беше напуштена.

Следниве процесори беа произведени со употреба на УВ светлина (ArF ексцимер ласер, бранова должина 193 nm). Во просек, лидерите во индустријата воведуваа нови технолошки процеси според планот ITRS на секои 2 години, удвојувајќи го бројот на транзистори по единица површина: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), започнато производство од 14 nm во 2014 година, развојот на процесите од 10 nm се очекува околу 2018 година.

Во 2015 година имаше проценки дека воведувањето нови технолошки процеси ќе забави.

Контрола на квалитет

За контрола на квалитетот на интегрираните кола, широко се користат таканаречените тест структури.

Цел

Интегрираното коло може да има целосна, без разлика колку е сложена, функционалност - до цел микрокомпјутер (микрокомпјутер со еден чип).

Аналогни кола

Интегриран аналоген (микро)шема (AIS, ЦЕЛИ) - интегрирано коло чии влезни и излезни сигнали се разликуваат според законот за континуирана функција (односно, тие се аналогни сигнали).

Лабораториски прототип на аналоген ИЦ беше создаден од Texas Instruments во САД во 1958 година. Тоа беше генератор за поместување на фази. Во 1962 година се појави првата серија на аналогни микроциркути - SN52. Содржеше нискофреквентен засилувач со мала моќност, оперативен засилувач и видео засилувач.

Во СССР, до крајот на 1970-тите беше добиен голем опсег на аналогни интегрирани кола. Нивната употреба овозможи да се зголеми доверливоста на уредите, да се поедностави поставувањето на опремата и честопати дури и да се елиминира потребата Одржувањеза време на работата.

Подолу е делумна листа на уреди чии функции можат да се извршуваат со аналогни ИЦ. Честопати, еден микроспој заменува неколку од нив одеднаш (на пример, K174XA42 ги содржи сите компоненти на суперхетеродински FM радио приемник).

• Филтри (вклучувајќи пиезоелектричен ефект).
• Аналогни множители.
• Аналогни атенуатори и променливи засилувачи.
• Стабилизатори за напојување: стабилизатори на напон и струја.
• Преклопни контролни микроциркула за напојување.
• Конвертори на сигнали.
• Различни сензори.

Аналогните микроциркути се користат во опрема за засилување и репродукција на звук, видео рекордери, телевизори, комуникациска опрема, мерни инструменти, аналогни компјутери итн.

Кај аналогните компјутери

• Операциски засилувачи (LM101, μA741).

Во напојувањата

Чип за стабилизатор на напон KR1170EN8

• Линеарни стабилизатори на напон (KR1170EN12, LM317).
• Стабилизатори на прекинувачки напон (LM2596, LM2663).

Во видео камери и камери

• CCD матрици (ICX404AL).
• CCD низи (MLX90255BA).

Во опрема за засилување и репродукција на звук

• Засилувачи на моќност на аудио фреквенција (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Двоен UMZCH за стереофонична опрема (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Различни регулатори (K174UN10 - двоканален UMZCH со електронско прилагодување на фреквентниот одговор, K174UN12 - двоканална контрола на јачината и рамнотежата).

Кај мерните инструменти Во уредите за пренос и прием на радио

• AM сигнални детектори (K175DA1).
• Детектори за FM сигнал (K174UR7).
• Миксери (K174PS1).
• Високофреквентни засилувачи (K157ХА1).
• Средни фреквентни засилувачи (K157ХА2, K171UR1).
• Радиоприемници со еден чип (K174ХА10).

На телевизорите

• Во радио каналот (K174UR8 - засилувач со AGC, IF детектор за слика и звук, K174UR2 - IF засилувач на напон на слика, синхрон детектор, предзасилувачвидео сигнал, систем за автоматска контрола на засилување со клуч).
• Во каналот на хроматичноста (K174AF5 - обликувач на боја R-, G-, B-сигнали, K174ХА8 - електронски прекинувач, засилувач-ограничувач и демодулатор на информативни сигнали во боја).
• Во единиците за скенирање (K174GL1 - генератор за скенирање на рамки).
• Во кола за префрлување, синхронизација, корекција и контрола (K174AF1 - избирач на сигнал за синхронизација на амплитудата, генератор на пулс на хоризонтална фреквенција, единица за автоматско прилагодување на фреквенцијата и фазата на сигналот, хоризонтален главен генератор на импулси, K174UP1 - засилувач на сигнал за осветленост, електронски регулаторзамавнување на излезниот сигнал и црно ниво).

Производство

Преминот кон големини на субмикрони на интегрални елементи го комплицира дизајнот на AIMS. На пример, MOS транзисторите со кратка должина на портата имаат голем број карактеристики кои ја ограничуваат нивната употреба во аналогните блокови: високо ниво на нискофреквентен шум на треперење; силно ширење на напонот на прагот и наклонот, што доведува до појава на голем пристрасен напон на диференцијални и оперативни засилувачи; мала вредност на излезниот отпор на мал сигнал и засилување на каскади со активно оптоварување; низок пробивен напон на p-n спојниците и јазот на одводниот извор, што предизвикува намалување на напонот на напојување и намалување динамички опсег.

Во моментов, аналогните микроциркути се произведуваат од многу компании: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments итн.

Дигитални кола

Дигитално интегрирано коло(дигитален микроциркут) е интегрирано коло дизајнирано да конвертира и обработува сигнали кои се менуваат според законот за дискретна функција.

Дигиталните интегрирани кола се базираат на транзисторски прекинувачи кои можат да бидат во две стабилни состојби: отворена и затворена. Употребата на транзисториски прекинувачи овозможува да се создадат различни логички, активирачки и други интегрирани кола. Дигитални интегрирани кола се користат во уреди за дискретна обработка на информации на електронски компјутери (компјутери), системи за автоматизација итн.

• Бафер конвертори
• (Микро)процесори (вклучувајќи процесори за компјутери)
• Чипови и мемориски модули
• FPGA (програмабилни логички интегрирани кола)

Дигиталните интегрирани кола имаат голем број на предности во однос на аналогните:

• Намалена потрошувачка на енергијаповрзани со употребата на импулсни електрични сигнали во дигиталната електроника. При примање и конвертирање на такви сигнали, активните елементи на електронските уреди (транзистори) работат во режимот „клуч“, односно транзисторот е или „отворен“ - што одговара на сигнал на високо ниво (1) или „затворен ” - (0), во првиот случај кај Нема пад на напон во транзисторот, во вториот нема струја што тече низ него. Во двата случаи, потрошувачката на енергија е блиску до 0, за разлика од аналогните уреди, кај кои најчесто транзисторите се во средна (активна) состојба.
• Висок имунитет на бучавадигиталните уреди се поврзани со голема разлика помеѓу сигналите на високо (на пример, 2,5-5 V) и ниски (0-0,5 V) нивоа. Можна е грешка во состојба на такво ниво на пречки што високото ниво се толкува како ниско ниво и обратно, што е малку веројатно. Освен тоа, во дигитални уредиМожно е да се користат специјални кодови за да се поправат грешките.
• Големата разлика во нивоата на сигналните состојби на високо и ниско ниво (логички „0“ и „1“) и прилично широк опсег на нивните дозволени промени ја прави дигиталната технологија нечувствителна на неизбежната дисперзија на параметрите на елементите во интегрираната технологија, ја елиминира потребата да се изберат компоненти и да се конфигурираат елементите за прилагодување во дигиталните уреди.

Аналогно-дигитални кола

Аналогно-дигитално интегрирано коло(аналогно-дигитално микроколо) - интегрирано коло дизајнирано да конвертира сигнали кои се разликуваат според законот на дискретна функција во сигнали кои се разликуваат според законот за континуирана функција и обратно.

Често, еден чип ги извршува функциите на неколку уреди одеднаш (на пример, последователните приближни ADC содржат DAC, за да можат да вршат двонасочни конверзии). Список на уреди (нецелосни) чии функции можат да се извршуваат со аналогно-дигитални ИЦ:

• дигитално-аналогни (DAC) и аналогно-дигитални конвертори (ADC);
• аналогни мултиплексери (додека дигиталните (де)мултиплексери се чисто дигитални ИЦ, аналогните мултиплексери содржат дигитални логички елементи (обично декодер) и може да содржат аналогни кола);
• примопредаватели (на пример, мрежен интерфејс примопредавател Етернет);
• модулатори и демодулатори;
  • радио модеми;
  • телетекст, декодери за текст на радио VHF;
  • Брз етернет и оптички линиски примопредаватели;
  • Dial-Upмодеми;
  • дигитални ТВ приемници;
  • оптички сензор за компјутерски глушец;
• микроциркути за напојување за електронски уреди - стабилизатори, конвертори на напон, прекинувачи за напојување итн.;
• дигитални атенуатори;
• кола со фазна заклучена јамка (PLL);
• генератори и обновувачи на фреквенција за синхронизација на часовникот;
• основни матрични кристали (BMC): содржи и аналогни и дигитални кола.

Серија чипови

Аналогни и дигитални микроциркути се произведуваат во серија. Серија е група на микроциркути кои имаат единствен дизајн и технолошки дизајн и се наменети за заедничка употреба. Микроциркулите од истата серија, по правило, имаат исти напони за напојување и се совпаѓаат во однос на влезните и излезните отпори и нивото на сигналот.

Куќишта

IC пакети за површинска монтажа

Микросклоп со микроколо со отворена рамка заварено на плоча за печатено коло

Конкретни имиња

Светскиот пазар

Во 2017 година, глобалниот пазар на интегрирани кола беше проценет на 700 милијарди долари.

На 12 септември 1958 година, вработениот во Тексас Инструментс (ТИ), Џек Килби, му покажа на раководството чуден уред - уред направен од две парчиња силикон со димензии 11,1 x 1,6 mm залепени со пчелин восок на стаклена подлога. Тоа беше тридимензионална макета - прототип на интегрирано коло (IC) на генератор, што ја докажува можноста за производство на сите елементи на колото врз основа на еден полупроводнички материјал. Овој датум во историјата на електрониката се слави како роденден на интегрираните кола.

Интегрираните кола (чипови, ИЦ) вклучуваат Електронски Уредисо различна сложеност, во која сите слични елементи се произведуваат истовремено во еден технолошки циклус, т.е. користејќи интегрирана технологија. За разлика од печатени плочки(во кој сите спроводници за поврзување се произведуваат истовремено во еден циклус користејќи интегрирана технологија), отпорниците, кондензаторите, диодите и транзисторите на сличен начин се формираат во ИЦ. Покрај тоа, многу ИЦ се произведуваат истовремено, од десетици до илјадници

Претходно се разликуваа две групи на ИЦ: хибридни и полупроводнички

Кај хибридните IC (HIC), сите спроводници и пасивни елементи се формираат на површината на подлогата на микроспој (обично керамички) користејќи интегрирана технологија. Активните елементи во форма на спакувани диоди, транзистори и полупроводнички IC кристали се инсталираат на подлогата поединечно, рачно или автоматски

Во полупроводничките ИЦ, поврзувачките, пасивните и активните елементи се формираат во еден технолошки циклус на површината на полупроводничкиот материјал со делумна инвазија на неговиот волумен користејќи методи на дифузија. Во исто време, од неколку десетици до неколку илјади ИЦ се произведуваат на една полупроводничка обланда

Првите хибридни ИЦ.

ГИС е производ на еволутивниот развој на микромодули и технологија за монтирање на керамички плочи. Затоа, тие се појавија незабележано, нема општо прифатен датум на раѓање на ГИС и нема општо признат автор.

Полупроводничките ИЦ беа природен и неизбежен резултат на развојот на полупроводничката технологија, но тие бараа генерирање нови идеи и создавање нова технологија, кои имаат и датум на раѓање и нивни автори.

Првите хибридни и полупроводнички ИЦ се појавија во СССР и САД речиси истовремено и независно еден од друг.

Назад во доцните 1940-ти, компанијата Centralab во САД ги разви основните принципи за производство на плочки за печатени кола со керамика со дебел филм.

И во раните 1950-ти, компанијата RCA измислила технологија за тенок филм: со прскање различни материјали во вакуум и нивно депонирање преку маска на специјални подлоги, тие научиле како истовремено да произведат многу минијатурни филмови што поврзуваат проводници, отпорници и кондензатори на еден керамичка подлога

Во споредба со технологијата со дебел филм, технологијата со тенок филм дава можност за попрецизно производство на тополошки елементи со помала големина, но бара посложена и поскапа опрема. Уредите произведени на керамички плочи со помош на технологија со дебел или тенок филм се нарекуваат „хибридни кола“.

Но, микромодулот стана хибридно интегрирано коло во моментот кога во него се користеа непакувани транзистори и диоди и структурата беше запечатена во заедничко куќиште.

ВО СССР

Првите ГИС (модули од типот „Квант“, подоцна означени како IS серија 116) во СССР беа развиени во 1963 година во NIIRE (подоцна НПО Ленинец, Ленинград) и истата година нејзината пилот-фабрика започна со сериско производство. Во овие ГИС, полупроводнички ИЦ „Р12-2“, развиени во 1962 година од фабриката за полупроводнички уреди во Рига, беа користени како активни елементи.

Несомнено, Квант-модулите беа првите во светот на ГИС со интеграција на две нивоа - тие користеа полупроводнички IC наместо дискретни спакувани транзистори како активни елементи

ВО САД

Појавата на ГИС со дебел филм, како основна елементарна база на новиот компјутер IBM System / 360, првпат беше објавена од IBM во 1964 година.

Полупроводничките IC од серијата „Micrologic“ од Fairchild и „SN-51“ од TI сè уште беа недостапни и премногу скапи за комерцијална употреба, градејќи голем компјутер. Затоа, IBM Corporation, земајќи го дизајнот на рамен микромодул како основа, ја разви својата серија на ГИС со дебел филм, објавена под општо име (за разлика од „микромодули“) е „SLT-модули“ (Технологија на цврста логика - цврста логичка технологија. Обично зборот „цврст“ на руски се преведува како „цврст ", што е апсолутно нелогично. Навистина, терминот "SLT-модули" " беше воведен од IBM како контраст на терминот "микромодул" и треба да ја одрази нивната разлика. Зборот "цврсти" има други значења - "цврсти", " целина“, кои успешно ја нагласуваат разликата помеѓу „SLT-модули“ и „микромодули“

Модулот SLT беше квадратна керамичка микроплоча со дебел филм со втиснати вертикални иглички. Поврзувачките проводници и отпорници беа нанесени на неговата површина со помош на печатење со свилен екран, а беа инсталирани и неспакувани транзистори. Кондензаторите, доколку е потребно, беа инсталирани веднаш до модулот SLT

Иако надворешно се речиси идентични (микромодулите се малку повисоки), SLT модулите се разликуваат од рамните микромодули по нивната поголема густина на елементите, малата потрошувачка на енергија, високите перформанси и високата доверливост

Покрај тоа, технологијата SLT беше прилично лесна за автоматизација, така што тие можеа да се произведуваат по доволно ниска цена за употреба во комерцијална опрема. Ова е токму она што му требаше на IBM. По IBM, други компании почнаа да произведуваат ГИС, за што ГИС стана комерцијален производ.

На почетокот на февруари 2014 година, на педесет и петтата годишнина од појавувањето во светската заедница на таков составен дел од модерната технологија на кола како интегрираното коло.

Потсетуваме дека во 1959 година, Федералната канцеларија за патенти на Соединетите Американски Држави издаде патент на Texas Instruments за создавање на интегрирано коло.

Овој настан беше забележан како раѓање на ерата на електрониката и сите придобивки што произлегуваат од неговата употреба.

Навистина, интегрираното коло е основата на повеќето електрични апарати кои ни се познати.

Идејата за создавање интегрирано коло првпат се појави во раните педесетти години на минатиот век. Главниот аргумент за неговиот изглед беше минијатуризацијата и намалувањето на цената на електричните апарати. Долго време, размислувањата за неговата имплементација беа едноставно во воздухот, и покрај фактот што гранките на технологијата на кола, како што се телевизијата и радиото, како и компјутерската технологија, активно се развиваа во светот.

Создавањето интегрирано коло подразбира напуштање на непотребните жици, монтажни панели и изолација во производството на кола со помош на диоди и полупроводнички транзистори. Меѓутоа, долго време никој не успеал да ги реализира таквите размислувања. Само по активната работа на таков талентиран и добро познат инженер на современите научници како Џек Килби (добитник на Нобеловата награда за физика за пронајдокот на интегрираното коло во 2000 година), првиот микроспој беше воведен во 1958 година. Речиси шест месеци подоцна, пронајдокот беше патентиран од компанијата за која работеше Килби (Тексас Инструментс).

Се разбира, сега можеме да го констатираме фактот дека првиот микроспој на германскиот научник Килби бил целосно неупотреблив. Сепак, сè повеќе и повеќе подоцна интегрирани кола беа создадени врз основа на тоа, од кои едната беше технологијата на Роберт Нојс - силиконски планарен чип.

Р. Работата на Нојс беше патентирана речиси веднаш по добивањето на патентот на Килби. Сепак, за разлика од чипот на Килби, развојот на Нојс се здоби со популарност меѓу главните производители на електрична опрема. Ова предизвика спор помеѓу Texas Instruments и Fairchald Semiconductor и последователни судски спорови до 1969 година. Како резултат на тоа, Нојс беше прогласен за прв пронаоѓач на микроциркути. Иако ова совпаѓање на околностите воопшто не ги вознемири сопствениците на двете компании. Неколку години претходно, тие дојдоа до едногласна одлука и ги признаа двајцата научници како основачи на интегрираното коло со еднакви права, давајќи им ги највисоките награди на научните и инженерските заедници на САД - Националниот медал за наука и Националниот медал за технологија. .

Ако копате длабоко во минатото, можете со сигурност да кажете дека пред Нојс и Килби да го воведат микроциркутот на светот, прилично голем број научници работеа на оваа идеја и предложија не помалку напредни дизајни. Меѓу нив е и инженерот Вернер Јакоби (Германија). Неговиот развој дури беше патентиран во 1949 година. Во патентот, инженерот го скицирал дизајнот на микроспој кој се состои од 5 транзистори на заедничка подлога. Подоцна, во 1952 година, принципот на интегрирање на компонентите на колото во една единица беше опишан од англискиот инженер Д. Дамер. По уште пет години, Џефри Дамер го објави првиот работен пример на флип-флоп со интегрирано коло заснован на четири транзистори. За жал, англиските воени специјалисти не го ценеле пронајдокот на Дамер, иако требало. Како резултат на тоа, целата работа на научникот беше суспендирана. Подоцна, пронајдокот на Дамер беше наречен родоначалник на модерните микроциркути, а самиот научник беше наречен пророк на интегрираното коло.

Во 1957 година, Соединетите Американски Држави прифатија барање од друг инженер, Бернард Оливер, за патент за технологијата што тој ја опиша за производство на монолитен блок користејќи три рамни транзистори.

Меѓу имињата на пророците на модерниот микроспој се иницијалите на инженерот Харвик Џонсон, кој патентирал неколку видови на создавање електронски компоненти на кола на еден чип, но никогаш не добил ниту еден документ што дозволува имплементација на неговите откритија. Еден од овие методи користел Џек Килби, кој ги добил сите ловорики на Џонсон.

6 февруари 1959 година, пред точно 55 години, Федералната канцеларија за патенти на САД издаде патент за пронајдокот на интегрирано коло на Texas Instruments. Така, официјално беше признаено раѓањето на технологијата, без која денес немаше да ги имаме при рака огромното мнозинство од електронските уреди со кои ни се познати и можностите поврзани со нив.

Идејата за интегрирано коло во доцните 50-ти, како што велат, беше во воздухот. Транзисторот е веќе создаден; брзиот развој на радио и телевизиските кола, а да не зборуваме за компјутерската технологија, бараше изнаоѓање решенија за минијатуризација; На потрошувачкиот пазар му беше потребна поевтина опрема. Идејата да се исфрли сè што е излишно од колото со помош на полупроводнички транзистори и диоди (монтажни панели, жици, куќишта и изолатори), собирање на нејзината суштина во една „тула“ - n-p раскрсници - неизбежно мораше да дојде на ум некому.

И така се случи. Таа пристигна. Покрај тоа, неколку талентирани инженери одеднаш, но само еден од нив денес се смета за „татко на интегрираното коло“ - Џек Килби, вработен во Тексас Инструментс, кој беше награден со Нобеловата награда за физика во 2000 година за пронајдокот на интегрираното коло. На 24 јули 1958 година, тој ја запишал идејата за нов уред во својот работен дневник; на 12 септември, тој демонстрирал работен примерок од микросхемот, подготвил и аплицирал за патент и го добил на 6 февруари 1959 година. .

Заради фер, треба да се признае дека дизајнот на германиумскиот чип Kilby беше практично несоодветен за индустриски развој, што не може да се каже за силиконскиот рамнински чип развиен од Роберт Нојс.

Роберт Нојс, кој работеше во Fairchald Semiconductor (тој беше еден од основачите на оваа компанија), речиси истовремено и независно од Kilby, разви своја верзија на дизајнот на интегрираното коло, го патентираше и... ги втурна Texas Instruments и Fairchald Semiconductor во континуирана патентна војна цели 10 години, која заврши На 6 ноември 1969 година, одлуката на Апелациониот суд за патенти и царина на САД, според која единствениот изумител на микроспојот треба да се смета... Роберт Нојс! Врховниот суд на САД ја потврди оваа одлука.

Сепак, дури и пред судската пресуда, во 1966 година, компаниите се согласија да се признаат меѓусебно како еднакви права на интегрираното коло, и на двата пронаоѓачи, Килби и Нојс, им беа доделени истите највисоки награди од научните и инженерските заедници на САД: Национален медал. за наука и Национален медал за технологија.

Но, имаше и други кои, многу порано од Килби и Нојс, го формулираа принципот на дизајнирање, па дури и патентираа интегрирано коло. Германскиот инженер Вернер Јакоби, во својот патент од 1949 година, црта дизајн на микроколо од 5 транзистори на заедничка подлога. На 7 мај 1952 година, англискиот радио инженер Џефри Дамер го опиша принципот на интегрирање на компонентите на колото во една целина во својот јавен говор на симпозиумот за електронски компоненти во Вашингтон (на овој симпозиум, инаку, беше присутен и Џек Килби); во 1957 година, тој презентираше работен пример на првиот активирач на интегрирано коло во светот со 4 транзистори. Специјалистите од британскиот воен оддел не го разбраа новиот производ и не го ценеа неговиот потенцијал. Работата беше затворена. Потоа, Дамер беше наречен „пророк на интегрираното коло“ во неговата татковина; тој беше поканет да учествува во многу национални и меѓународни проекти за развој на електронски технологии.

Во САД во октомври истата година, Бернард Оливер поднел барање за патент, во кое е опишан метод за производство на монолитен блок од три рамни транзистори. На 21 мај 1953 година, инженерот Харвик Џонсон поднесе предлог за неколку начини да се формираат различни компоненти на електронско коло на еден чип. Смешно е што една од опциите предложени од Џонсон беше независно имплементирана и патентирана од Џек Килби 6 години подоцна. Неверојатно!

Детални биографии на сите пронаоѓачи на интегрираното коло, описи на настаните и околностите на големиот, се осмелувам да кажам, пронајдокот може лесно да се најде од секој денес: сето ова е на Интернет. На роденденот на микроциркутот, би сакал да им „дадам збор“ на сите тројца: Џефри Дамер, Џек Килби и Роберт Нојс. Во различни периоди во интервјуата, тие споделуваа сеќавања за „како беше“, нивните мисли и искуства. Избрав некои изреки кои ми беа интересни...

Џефри Дамер:
„Со доаѓањето на транзисторот и работата на полупроводниците воопшто, денес се чини дека може да се постави прашањето за создавање електронска опрема во форма на цврст блок без никакви жици за поврзување. Овој блок може да се состои од слоеви на изолациски, спроводливи, исправувачки и засилувачки материјали на сигналот. Дефинирањето на електронските функции на компонентите и нивното правилно поврзување може да се направи со отсекување на делови од поединечни слоеви“.
„Во една од моите книги причината за мојот неуспех ја објаснив како голем замор од бескрајните бирократски војни, но можеби ова не е единствената причина. Факт е дека никој не сакаше да ризикува. Одделот за војна нема да склучи договор за уред кој не е доведен до индустриски стандард. Некои програмери не сакаа да преземат задача непозната за нив. Тоа е ситуација со пилешко и јајца. Американците се финансиски авантуристи, а во оваа земја (се мисли на Англија. - Ју.Р.) сè се случува премногу бавно“.

Џек Килби:
„Откако транзисторот излезе на сцената, повторно се појави интерес за она што пред некое време почна да се нарекува „минијатуризација“. Никогаш не беше цел сама по себе, но за огромен број апликации се чинеше многу погодно да се соберат повеќе компоненти на едно место и цврсто да се спакуваат. И тогаш морнарицата започна проект за осигурувачи за близина. Навистина им требаше уред каде што сите електронски компоненти ќе се склопат на чинија не повеќе од квадратен инч. Веќе потрошија прилично пари, но сепак не го добија тоа што го сакаа... Транзисторот ги реши сите проблеми. Во принцип, тогаш и сега, ако имате нов производ и е од интерес за војската, или можете да го уредите на таков начин што ќе биде од интерес за војската, тогаш, по правило, ќе имате нема проблем да работиш затоа што ќе имаш финансирање. Ова беше вистина во тие далечни времиња, и е вистина сега“.

„Главниот мотив за работа на интегрално коло беше да се намалат трошоците за производство на опрема. Точно, во тоа време навистина не замислував колкави се размерите на можното намалување на трошоците и колку факторот на евтина цена ќе го прошири полето на примена на електрониката во сосема различни области. Во 1958 година, еден силиконски транзистор, кој исто така не се продаваше многу добро, чинеше околу 10 долари. Денес, со 10 долари може да се купат повеќе од 100 милиони транзистори. Не можев да го предвидам ова. И сигурен сум дека никој не замислуваше дека ова е можно“.

„Почнавме да го развиваме првиот микрокалкулатор (на сликата) со цел да го прошириме пазарот за интегрирани кола: масовниот пазар е важен за нив. Ги продадовме првите калкулатори за 500 долари, денес тие се продаваат за 4-5 долари и станаа производ за еднократна употреба. Станува збор за прашањето за поевтини цени“.

„Дали пронајдокот на интегрираното коло е моето најголемо достигнување во животот? О, дефинитивно!..”

Роберт Нојс:
„Во Ферчајлд, почнавме да работиме на инженерски проект што војската го нарече „молекуларен инженеринг“. Тоа беше финансирано од воздухопловните сили. Се претпоставуваше дека треба да создадеме некаква структура, изградена од молекула-на-молекула или дури и атом-на-атом структури. И таквата структура треба да ги извршува функциите на електронски уред. Ова не беше токму нашиот профил, бидејќи силата на електронската индустрија отсекогаш била во синтетизирањето на нешто од едноставни елементи, наместо во обидот да се измисли сложен елемент. Се создаваат едноставни елементи на колото: кондензатори, отпорници, засилувачки елементи, диоди итн., а потоа од нив се синтетизира потребната функција. Во основа, нешто тргна наопаку со молекуларното инженерство“.

„Прашувате дали првенствено беше маркетиншка одлука да се влезе во интегрираните кола. Мислам дека не. Мислам дека повеќето достигнувања од овој вид не беа предвидени од маркетерите и не беа свесно подготвени од нив. Тие попрво произлегоа од логиката технички напредок. Тоа време би можело да се карактеризира вака: „Сега можеме да го направиме ова. Зошто не се обидеш да го продадеш?“ И денес доаѓа некој од маркетингот и вели: „Ако го имавме ова, можевме да го продадеме“. Дали чувствувате каде е разликата? Во случајот со интегрираното коло, највозбудливо беше чувството дека има потреба од овој уред. Секој има. Војската, цивилите... Гледате, сите!“.