Den første integrerte kretsen. Historien om oppfinnelsen av den integrerte kretsen. reduksjon i utstyrskostnader

Introduksjon

Siden de første datamaskinene kom, har programvareutviklere drømt om maskinvare designet for å løse akkurat deres problem. Derfor har ideen om å lage spesielle integrerte kretser som kan skreddersys for å effektivt utføre en spesifikk oppgave dukket opp i ganske lang tid. Det er to utviklingsveier her:

• Bruken av såkalte spesialiserte tilpassede integrerte kretser (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Som navnet antyder, er slike brikker laget av produsenter maskinvare skreddersydd for effektivt å utføre en spesifikk oppgave eller rekke oppgaver. De har ikke allsidigheten til konvensjonelle mikrokretser, men de løser oppgavene som er tildelt dem mange ganger raskere, noen ganger i størrelsesordener.
• Oppretting av mikrokretser med rekonfigurerbar arkitektur. Tanken er at slike brikker kommer til utvikleren eller programvarebrukeren i en uprogrammert tilstand, og han kan implementere den arkitekturen som passer ham best på dem. La oss se nærmere på dannelsesprosessen deres.

Over tid dukket det opp et stort antall forskjellige brikker med rekonfigurerbar arkitektur (fig. 1).

Fig. 1 Variasjon av brikker med rekonfigurerbar arkitektur

I ganske lang tid eksisterte bare PLD-enheter (Programmable Logic Device) på markedet. Denne klassen inkluderer enheter som implementerer funksjonene som er nødvendige for å løse de tildelte problemene i form av en perfekt disjunktiv normal form(perfekt DNF). De første som dukket opp i 1970 var EEPROM-brikker, som spesifikt tilhører klassen PLD-enheter. Hver krets hadde en fast rekke AND-logiske funksjoner koblet til et programmerbart sett med ELLER-logiske funksjoner. Tenk for eksempel på en PROM med 3 innganger (a, b og c) og 3 utganger (w, x og y) (fig. 2).

Ris. 2. PROM-brikke

Ved å bruke en forhåndsdefinert AND-matrise implementeres alle mulige konjunksjoner over inngangsvariabler, som deretter kan kombineres vilkårlig ved hjelp av OR-elementer. Dermed kan du ved utgangen implementere hvilken som helst funksjon av tre variabler i form av en perfekt DNF. For eksempel, hvis du programmerer de ELLER-elementene som er ringt inn med rødt i figur 2, vil utgangene produsere funksjonene w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

I utgangspunktet var PROM-brikker ment å lagre programinstruksjoner og konstante verdier, dvs. for å utføre datamaskinens minnefunksjoner. Utviklere bruker dem imidlertid også til å implementere enkle logiske funksjoner. Faktisk kan brikkens PROM brukes til å implementere enhver logisk blokk, forutsatt at den har et lite antall innganger. Denne betingelsen følger av det faktum at i EEPROM-mikrokretser er matrisen av OG-elementer strengt definert - alle mulige konjunksjoner fra inngangene er implementert i den, det vil si at antallet OG-elementer er lik 2 * 2 n, hvor n er antall innganger. Det er klart at når tallet n øker, vokser størrelsen på matrisen veldig raskt.

Deretter, i 1975, dukket de såkalte programmerbare logiske arrayene (PLMs) opp. De er en fortsettelse av ideen om PROM-er for mikrokretser - PLM-er består også av AND- og OR-matriser, men i motsetning til PROM-er er begge matrisene programmerbare. Dette gir større fleksibilitet for slike brikker, men de har aldri vært vanlige fordi signaler tar mye lengre tid å reise gjennom programmerbare forbindelser enn gjennom deres forhåndsdefinerte motparter.

For å løse hastighetsproblemet som ligger i PLM-er, dukket det opp en ytterligere klasse enheter kalt programmerbar array-logikk (PAL) på slutten av 1970-tallet. En videreutvikling av ideen om PAL-brikker var fremveksten av GAL-enheter (Generic Array Logic) - mer komplekse varianter av PAL som bruker CMOS-transistorer. Ideen som brukes her er nøyaktig det motsatte av ideen om PROM-brikker - en programmerbar rekke AND-elementer er koblet til en forhåndsdefinert rekke OR-elementer (fig. 3).

Ris. 3. Uprogrammert PAL-enhet

Dette pålegger en begrensning på funksjonalitet, men slike enheter krever betydelig mindre arrays enn i EPROM-brikker.

En logisk fortsettelse av enkle PLD-er var fremveksten av såkalte komplekse PLD-er, bestående av flere blokker med enkle PLD-er (vanligvis PAL-enheter brukes som enkle PLD-er), forent av en programmerbar svitsjematrise. I tillegg til selve PLD-blokkene var det også mulig å programmere forbindelsene mellom dem ved hjelp av denne brytermatrisen. De første komplekse PLD-ene dukket opp på slutten av 70-tallet og begynnelsen av 80-tallet av det 20. århundre, men hovedutviklingen av dette området skjedde i 1984, da Altera introduserte en kompleks PLD basert på en kombinasjon av CMOS- og EPROM-teknologier.

Fremkomsten av FPGA

På begynnelsen av 1980-tallet, i det digitale ASIC-miljøet, åpnet det seg et gap mellom hovedtypene enheter. På den ene siden var det PLD-er, som kan programmeres for hver spesifikke oppgave og er ganske enkle å produsere, men de kan ikke brukes til å implementere komplekse funksjoner. På den annen side er det ASIC-er som kan implementere ekstremt komplekse funksjoner, men som har en stivt fast arkitektur og er tidkrevende og kostbare å produsere. En mellomkobling var nødvendig, og FPGA-enheter (Field Programmable Gate Arrays) ble en slik kobling.

FPGA-er, som PLD-er, er programmerbare enheter. Den viktigste grunnleggende forskjellen mellom FPGA og PLD er at funksjoner i FPGA implementeres ikke ved hjelp av DNF, men ved bruk av programmerbare oppslagstabeller (LUT). I disse tabellene er funksjonsverdiene spesifisert ved hjelp av en sannhetstabell, hvorfra det nødvendige resultatet velges ved hjelp av en multiplekser (fig. 4):

Ris. 4. Korrespondansetabell

Hver FPGA-enhet består av programmerbare logiske blokker (Configurable Logic Blocks - CLBs), som er sammenkoblet av tilkoblinger som også er programmerbare. Hver slik blokk er ment for programmering av en bestemt funksjon eller del av den, men kan brukes til andre formål, for eksempel som minne.

I de første FPGA-enhetene, utviklet på midten av 80-tallet, var den logiske blokken veldig enkel og inneholdt en 3-inngang LUT, en flip-flop og et lite antall hjelpeelementer. Moderne FPGA-enheter er mye mer komplekse: hver CLB-blokk består av 1-4 "skiver", som hver inneholder flere LUT-tabeller (vanligvis 6-innganger), flere triggere og et stort antall tjenesteelementer. Her er et eksempel på en moderne "slice":

Ris. 5. Enheten til en moderne "cut"

Konklusjon

Siden PLD-enheter ikke kan implementere komplekse funksjoner, fortsetter de å brukes til å implementere enkle funksjoner i mobile enheter og kommunikasjon, mens FPGA-enheter varierer fra 1000 portstørrelser (den første FPGAen utviklet i 1985) dette øyeblikket overskredet grensen på 10 millioner gate (Virtex-6-familien). De utvikler aktivt og erstatter allerede ASIC-brikker, noe som tillater implementering av en rekke ekstremt komplekse funksjoner uten å miste muligheten til å omprogrammere.

Gjennomføringen av disse forslagene i disse årene kunne ikke finne sted på grunn av utilstrekkelig utvikling av teknologi.

På slutten av 1958 og i første halvdel av 1959 skjedde et gjennombrudd i halvlederindustrien. Tre menn, som representerte tre private amerikanske selskaper, løste tre grunnleggende problemer som hindret opprettelsen av integrerte kretser. Jack Kilby fra Texas Instruments patenterte kombinasjonsprinsippet, skapte de første, ufullkomne, prototypene av IP og brakte dem til masseproduksjon. Kurt Lehovec fra Sprague Electric Company oppfunnet en metode for elektrisk isolering av komponenter dannet på en enkelt halvlederbrikke (p-n junction isolation). P–n-kryssisolasjon)). Robert Noyce fra Fairchild Semiconductor oppfunnet en måte Elektrisk forbindelse IC-komponenter (aluminiummetallisering) og foreslått en forbedret versjon av komponentisolasjon basert på den nyeste planteknologien til Jean Herni. Jean Hoerni). 27. september 1960, Jay Last sitt band Jay Last) opprettet på Fairchild Semiconductor den første fungerende halvleder IP basert på ideene til Noyce og Ernie. Texas Instruments, som eide patentet for Kilbys oppfinnelse, sluppet løs mot konkurrenter patentkrig, som endte i 1966 med en verdensomspennende avtale om krysslisensieringsteknologier.

Tidlige logiske IC-er i den nevnte serien ble bokstavelig talt bygget fra standard komponenter hvis størrelse og konfigurasjon er spesifisert teknologisk prosess. Kretsdesignere som designet logiske IC-er fra en bestemt familie opererte med de samme standard diodene og transistorene. I 1961-1962 den ledende utvikleren brøt designparadigmet Sylvania Tom Longo, for første gang ved å bruke forskjellige IC-er i ett konfigurasjoner av transistorer avhengig av deres funksjoner i kretsen. På slutten av 1962 Sylvania lanserte den første familien av transistor-transistor-logikk (TTL) utviklet av Longo – historisk sett den første typen integrert logikk som klarte å få et langsiktig fotfeste i markedet. I analoge kretser ble et gjennombrudd av dette nivået gjort i 1964-1965 av utvikleren av operasjonsforsterkere Fairchild Bob Widlar.

Den første innenlandske mikrokretsen ble opprettet i 1961 ved TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) under ledelse av L. N. Kolesov. Denne begivenheten vakte oppmerksomheten til landets vitenskapelige samfunn, og TRTI ble godkjent som leder i systemet til departementet for høyere utdanning på problemet med å lage svært pålitelig mikroelektronisk utstyr og automatisere produksjonen. L.N. Kolesov ble selv utnevnt til formann for koordineringsrådet for dette problemet.

Den første hybride tykke filmen i USSR integrert krets(serie 201 "Trail") ble utviklet i 1963-65 ved Research Institute of Precision Technology ("Angstrem"), masseproduksjon siden 1965. Spesialister fra NIEM (nå Argon Research Institute) deltok i utviklingen.

Den første integrerte halvlederkretsen i Sovjetunionen ble opprettet på grunnlag av planteknologi, utviklet tidlig i 1960 ved NII-35 (da omdøpt til Pulsar Research Institute) av et team som senere ble overført til NIIME (Mikron). Opprettelsen av den første innenlandske integrerte silisiumkretsen var konsentrert om utvikling og produksjon med militær aksept av TS-100-serien med integrerte silisiumkretser (37 elementer - tilsvarende kretskompleksiteten til en flip-flop, en analog av den amerikanske IC-serien SN-51 selskaper Texas Instruments). Prototypeprøver og produksjonsprøver av integrerte silisiumkretser for reproduksjon ble hentet fra USA. Arbeidet ble utført ved NII-35 (direktør Trutko) og Fryazino Semiconductor Plant (direktør Kolmogorov) for en forsvarsordre for bruk i en autonom høydemåler for et ballistisk missilstyringssystem. Utviklingen inkluderte seks standard integrerte silisiumplankretser i TS-100-serien, og, med organisering av pilotproduksjon, tok tre år ved NII-35 (fra 1962 til 1965). Det tok ytterligere to år å utvikle fabrikkproduksjon med militær aksept i Fryazino (1967).

Parallelt ble arbeidet med utviklingen av en integrert krets utført i det sentrale designbyrået ved Voronezh Semiconductor Devices Plant (nå -). I 1965, under et besøk til VZPP av ministeren for elektronikkindustri A.I. Shokin, ble anlegget instruert om å utføre forskningsarbeid på opprettelsen av en monolittisk silisiumkrets - FoU "Titan" (departementets ordre nr. 92 datert 16. august, 1965), som ble fullført før planen fullført ved slutten av året. Emnet ble vellykket sendt til statskommisjonen, og en serie på 104 diode-transistor logiske mikrokretser ble den første faste prestasjonen innen faststoffmikroelektronikk, noe som ble reflektert i MEP-ordren nr. 403 datert 30. desember 1965.

Designnivåer

For tiden (2014) er de fleste integrerte kretser designet ved hjelp av spesialiserte CAD-systemer, som gjør det mulig å automatisere og betydelig fremskynde produksjonsprosesser, for eksempel oppnå topologiske fotomasker.

Klassifisering

Grad av integrering

Avhengig av graden av integrasjon, brukes følgende navn på integrerte kretser:

• liten integrert krets (MIS) - opptil 100 elementer per brikke,
• medium integrert krets (SIS) - opptil 1000 elementer per brikke,
• stor integrert krets (LSI) - opptil 10 tusen elementer per brikke,
• ultra-storskala integrert krets (VLSI) - mer enn 10 tusen elementer i en krystall.

Tidligere ble nå utdaterte navn også brukt: ultra-storskala integrert krets (ULSI) - fra 1-10 millioner til 1 milliard elementer i en krystall og noen ganger giga-storskala integrert krets (GBIC) - mer enn 1 milliarder elementer i en krystall. For øyeblikket, på 2010-tallet, er navnene "UBIS" og "GBIS" praktisk talt ikke brukt, og alle mikrokretser med mer enn 10 tusen elementer er klassifisert som VLSI.

Produksjonsteknologi

Hybrid mikroenhet STK403-090, fjernet fra kassen

• Halvlederbrikke - alle elementer og interelementforbindelser er laget på en halvlederkrystall (for eksempel silisium, germanium, galliumarsenid).

• Filmintegrert krets - alle elementer og interelementforbindelser er laget i form av filmer:
  • tykk film integrert krets;
  • tynnfilm integrert krets.
• Hybridbrikke (ofte kalt mikromontering), inneholder flere dioder, transistorer og/eller andre elektroniske aktive komponenter. Mikrosammenstillingen kan også inkludere uemballerte integrerte kretser. Passive mikromonteringskomponenter (motstander, kondensatorer, induktorer) produseres vanligvis ved bruk av tynnfilm- eller tykkfilmteknologier på et vanlig, vanligvis keramisk, hybridbrikkesubstrat. Hele underlaget med komponenter er plassert i et enkelt forseglet hus.
• Blandet mikrokrets - i tillegg til halvlederkrystallen inneholder den tynnfilm (tykkfilm) passive elementer plassert på overflaten av krystallen.

Type behandlet signal

• Analog-til-digital.

Produksjonsteknologier

Typer logikk

Hovedelementet i analoge mikrokretser er transistorer (bipolar eller felteffekt). Forskjellen i transistorproduksjonsteknologi påvirker egenskapene til mikrokretser betydelig. Derfor er produksjonsteknologien ofte angitt i beskrivelsen av mikrokretsen for å understreke generelle egenskaper egenskaper og muligheter til mikrokretsen. I moderne teknologier kombinere bipolar og felteffekttransistorer for å oppnå forbedret ytelse av mikrokretser.

• Mikrokretser basert på unipolare (felteffekt) transistorer er de mest økonomiske (med tanke på strømforbruk):
  • MOS-logikk (metall-oksid-halvlederlogikk) - mikrokretser dannes fra felteffekttransistorer n-MOS eller s-MOS-type;
  • CMOS-logikk (komplementær MOS-logikk) - hver logisk element Mikrokretsen består av et par komplementære (komplementære) felteffekttransistorer ( n-MOS og s-MOPP).
• Mikrokretser basert på bipolare transistorer:
  • RTL - motstand-transistor-logikk (foreldet, erstattet av TTL);
  • DTL - diode-transistorlogikk (foreldet, erstattet av TTL);
  • TTL - transistor-transistor logikk - mikrokretser er laget av bipolare transistorer med multi-emitter transistorer ved inngangen;
  • TTLSh - transistor-transistor-logikk med Schottky-dioder - en forbedret TTL som bruker bipolare transistorer med Schottky-effekten;
  • ECL - emitterkoblet logikk - på bipolare transistorer, hvis driftsmodus er valgt slik at de ikke går inn i metningsmodus - noe som øker ytelsen betydelig;
  • IIL - integrert injeksjonslogikk.
• Mikrokretser som bruker både felteffekt og bipolare transistorer:

Ved å bruke samme type transistorer kan brikker lages ved hjelp av forskjellige metoder, for eksempel statiske eller dynamiske.

CMOS og TTL (TTLS) teknologier er de vanligste logiske brikkene. Der det er nødvendig å spare strømforbruk brukes CMOS-teknologi, der hastighet er viktigere og sparing på strømforbruk ikke er nødvendig, brukes TTL-teknologi. Det svake punktet til CMOS-mikrokretser er deres sårbarhet for statisk elektrisitet - bare berør utgangen til mikrokretsen med hånden, og dens integritet er ikke lenger garantert. Med utviklingen av TTL- og CMOS-teknologier kommer parametrene til mikrokretser nærmere, og som et resultat er for eksempel 1564-serien med mikrokretser laget ved hjelp av CMOS-teknologi, og funksjonaliteten og plasseringen i kabinettet ligner på TTL-teknologi.

Mikrokretser produsert ved hjelp av ESL-teknologi er de raskeste, men også de mest energikrevende, og ble brukt i produksjonen datateknologi i tilfeller der den viktigste parameteren var beregningshastigheten. I USSR ble de mest produktive datamaskinene av typen ES106x produsert på ESL-mikrokretser. I dag brukes denne teknologien sjelden.

Teknologisk prosess

Ved fremstilling av mikrokretser brukes metoden for fotolitografi (projeksjon, kontakt, etc.), der kretsen dannes på et substrat (vanligvis silisium) oppnådd ved å kutte enkeltkrystaller av silisium med diamantskiver i tynne skiver. På grunn av de små lineære dimensjonene til mikrokretselementer, ble bruken av synlig lys og til og med nær ultrafiolett stråling for belysning forlatt.

Følgende prosessorer ble produsert ved bruk av UV-lys (ArF excimer laser, bølgelengde 193 nm). I gjennomsnitt introduserte industriledere nye teknologiske prosesser i henhold til ITRS-planen hvert annet år, og doblet antall transistorer per arealenhet: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), produksjon av 14 nm startet i 2014 forventes utviklingen av 10 nm-prosesser rundt 2018.

I 2015 var det anslag på at innføringen av nye teknologiske prosesser ville bremse opp.

Kvalitetskontroll

For å kontrollere kvaliteten på integrerte kretser er såkalte teststrukturer mye brukt.

Hensikt

En integrert krets kan ha komplett, uansett hvor kompleks, funksjonalitet – opp til en hel mikrodatamaskin (single-chip mikrodatamaskin).

Analoge kretser

Analog integrert (mikro)ordningen (AIS, MÅL) - en integrert krets hvis inngangs- og utgangssignaler varierer i henhold til loven om en kontinuerlig funksjon (det vil si at de er analoge signaler).

En laboratorieprototype av en analog IC ble laget av Texas Instruments i USA i 1958. Det var en faseskiftgenerator. I 1962 dukket den første serien med analoge mikrokretser opp - SN52. Den inneholdt en lavfrekvent lavfrekvent forsterker, en operasjonsforsterker og en videoforsterker.

I USSR ble et stort utvalg av analoge integrerte kretser oppnådd på slutten av 1970-tallet. Bruken av dem har gjort det mulig å øke påliteligheten til enheter, forenkle utstyrsoppsett og ofte eliminere behovet Vedlikehold under drift.

Nedenfor er en delvis liste over enheter hvis funksjoner kan utføres av analoge IC-er. Ofte erstatter en mikrokrets flere av dem samtidig (for eksempel inneholder K174XA42 alle komponentene til en superheterodyne FM-radiomottaker).

• Filtre (inkludert piezoelektrisk effekt).
• Analoge multiplikatorer.
• Analoge attenuatorer og variable forsterkere.
• Strømforsyningsstabilisatorer: spennings- og strømstabilisatorer.
• Bytte strømforsyningskontrollmikrokretser.
• Signalomformere.
• Ulike sensorer.

Analoge mikrokretser brukes i utstyr for lydforsterkning og lydgjengivelse, videoopptakere, fjernsyn, kommunikasjonsutstyr, måleinstrumenter, analoge datamaskiner, etc.

I analoge datamaskiner

• Operasjonsforsterkere (LM101, μA741).

I strømforsyninger

Spenningsstabilisatorbrikke KR1170EN8

• Lineære spenningsstabilisatorer (KR1170EN12, LM317).
• Byttespenningsstabilisatorer (LM2596, LM2663).

I videokameraer og kameraer

• CCD-matriser (ICX404AL).
• CCD-matriser (MLX90255BA).

Innen lydforsterkning og lydgjengivelsesutstyr

• Lydfrekvens effektforsterkere (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Dual UMZCH for stereofonisk utstyr (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Ulike regulatorer (K174UN10 - to-kanals UMZCH med elektronisk justering av frekvensresponsen, K174UN12 - to-kanals volum og balansekontroll).

I måleinstrumenter I radiosendere og -mottakere

• AM-signaldetektorer (K175DA1).
• FM-signaldetektorer (K174UR7).
• Blandere (K174PS1).
• Høyfrekvente forsterkere (K157ХА1).
• Mellomfrekvensforsterkere (K157ХА2, K171UR1).
• Enkeltbrikke radiomottakere (K174ХА10).

På TV-er

• I radiokanalen (K174UR8 - forsterker med AGC, IF bilde- og lyddetektor, K174UR2 - IF bildespenningsforsterker, synkron detektor, forforsterker videosignal, nøkkel automatisk forsterkningskontrollsystem).
• I kromatisitetskanalen (K174AF5 - former av farge R-, G-, B-signaler, K174ХА8 - elektronisk bryter, forsterker-begrenser og demodulator av fargeinformasjonssignaler).
• I skanneenheter (K174GL1 - rammeskanningsgenerator).
• I svitsjing, synkronisering, korreksjon og kontrollkretser (K174AF1 -lger, horisontal frekvenspulsgenerator, enhet for automatisk frekvens- og fasejustering av signalet, horisontal masterpulsgenerator, K174UP1 - lysstyrkesignalforsterker, elektronisk regulator utgangssignalsving og svartnivå).

Produksjon

Overgangen til submikronstørrelser av integrerte elementer kompliserer utformingen av AIMS. For eksempel har MOS-transistorer med kort gatelengde en rekke funksjoner som begrenser bruken i analoge blokker: høyt nivå av lavfrekvent flimmerstøy; en sterk spredning av terskelspenning og helning, noe som fører til utseendet til en stor forspenning av differensial- og operasjonsforsterkere; lav verdi av utgangsmotstand for små signaler og forsterkning av kaskader med aktiv belastning; lav sammenbruddsspenning av p-n-kryss og dren-kildegap, noe som forårsaker en reduksjon i forsyningsspenning og en reduksjon dynamisk rekkevidde.

For tiden produseres analoge mikrokretser av mange selskaper: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, etc.

Digitale kretser

Digital integrert krets(digital mikrokrets) er en integrert krets designet for å konvertere og behandle signaler som endres i henhold til loven om en diskret funksjon.

Digitale integrerte kretser er basert på transistorbrytere som kan være i to stabile tilstander: åpen og lukket. Bruken av transistorbrytere gjør det mulig å lage ulike logiske, trigger- og andre integrerte kretser. Digitale integrerte kretser brukes i diskrete informasjonsbehandlingsenheter for elektroniske datamaskiner (datamaskiner), automasjonssystemer, etc.

• Bufferomformere
• (mikro)prosessorer (inkludert prosessorer for datamaskiner)
• Brikker og minnemoduler
• FPGA-er (programmerbare logiske integrerte kretser)

Digitale integrerte kretser har en rekke fordeler fremfor analoge:

• Redusert strømforbruk knyttet til bruk av pulserende elektriske signaler i digital elektronikk. Når du mottar og konverterer slike signaler, fungerer de aktive elementene til elektroniske enheter (transistorer) i "nøkkel" -modus, det vil si at transistoren enten er "åpen" - som tilsvarer et høynivåsignal (1), eller "lukket" ” - (0), i det første tilfellet ved Det er ikke noe spenningsfall i transistoren, i det andre er det ingen strøm som flyter gjennom den. I begge tilfeller er strømforbruket nær 0, i motsetning til analoge enheter, der transistorene mesteparten av tiden er i en mellomliggende (aktiv) tilstand.
• Høy støyimmunitet digitale enheter er forbundet med en stor forskjell mellom signaler med høyt (for eksempel 2,5-5 V) og lavt (0-0,5 V) nivå. En tilstandsfeil er mulig ved et slikt interferensnivå at et høyt nivå tolkes som et lavt nivå og omvendt, noe som er usannsynlig. Dessuten, i digitale enheter Det er mulig å bruke spesialkoder for å rette feil.
• Den store forskjellen i nivåene til høy- og lavnivåsignaltilstander (logisk "0" og "1") og et ganske bredt spekter av deres tillatte endringer gjør digital teknologi ufølsom for den uunngåelige spredningen av elementparametere i integrert teknologi, eliminerer behovet for å velge komponenter og konfigurere justeringselementer i digitale enheter.

Analog-til-digitale kretser

Analog-til-digital integrert krets(analog-til-digital mikrokrets) - en integrert krets designet for å konvertere signaler som varierer i henhold til loven om en diskret funksjon til signaler som varierer i henhold til loven om en kontinuerlig funksjon, og omvendt.

Ofte utfører en brikke funksjonene til flere enheter samtidig (for eksempel inneholder suksessive tilnærmings-ADC-er en DAC, slik at de kan utføre toveiskonverteringer). Liste over enheter (ufullstendig) hvis funksjoner kan utføres av analog-til-digitale ICer:

• digital-til-analog (DAC) og analog-til-digital omformere (ADC);
• analoge multipleksere (mens digitale (de)multipleksere er rene digitale IC-er, inneholder analoge multipleksere digitale logiske elementer (vanligvis en dekoder) og kan inneholde analoge kretser);
• transceivere (for eksempel nettverksgrensesnitt transceiver Ethernet);
• modulatorer og demodulatorer;
  • radiomodemer;
  • tekst-TV, VHF radiotekstdekodere;
  • Rask Ethernet og optiske linjesendere;
  • Ringe opp modemer;
  • digitale TV-mottakere;
  • optisk datamaskin mus sensor;
• strømforsyningsmikrokretser for elektroniske enheter - stabilisatorer, spenningsomformere, strømbrytere, etc.;
• digitale attenuatorer;
• faselåst sløyfe (PLL) kretser;
• generatorer og frekvensgjenopprettere for klokkesynkronisering;
• grunnleggende matrisekrystaller (BMC): inneholder både analoge og digitale kretser.

Chip-serien

Analoge og digitale mikrokretser produseres i serie. En serie er en gruppe mikrokretser som har en enkelt design og teknologisk design og er beregnet for felles bruk. Mikrokretser av samme serie har som regel de samme strømforsyningsspenningene og er tilpasset når det gjelder inngangs- og utgangsmotstander og signalnivåer.

Boliger

Overflatemontert IC-pakker

Mikromontering med en mikrokrets med åpen ramme sveiset på et trykt kretskort

Spesifikke navn

Verdensmarkedet

I 2017 ble det globale integrerte kretsmarkedet verdsatt til 700 milliarder dollar.

Den 12. september 1958 demonstrerte Texas Instruments (TI)-ansatt Jack Kilby for ledelsen en merkelig enhet - en enhet laget av to silisiumstykker på 11,1 x 1,6 mm limt med bivoks på et glassunderlag. Det var en tredimensjonal mock-up - en prototype av en integrert krets (IC) av en generator, som beviser muligheten for å produsere alle kretselementer basert på ett halvledermateriale. Denne datoen feires i elektronikkens historie som fødselsdagen til integrerte kretser.

Integrerte kretser (brikker, ICer) inkluderer elektroniske enheter av varierende kompleksitet, der alle lignende elementer produseres samtidig i en enkelt teknologisk syklus, dvs. ved hjelp av integrert teknologi. I motsetning til trykte kretskort(hvor alle koblingsledere produseres samtidig i en enkelt syklus ved bruk av integrert teknologi), er motstander, kondensatorer, dioder og transistorer på samme måte dannet i IC-er. I tillegg produseres mange IC-er samtidig, fra titalls til tusenvis

Tidligere ble to grupper av IC-er skilt: hybrid og halvleder

I hybride IC-er (HIC-er) er alle ledere og passive elementer dannet på overflaten av et mikrokretssubstrat (vanligvis keramisk) ved bruk av integrert teknologi. Aktive elementer i form av pakkede dioder, transistorer og halvleder-IC-krystaller installeres på underlaget individuelt, manuelt eller automatisk

I halvleder-ICer dannes koblende, passive og aktive elementer i en enkelt teknologisk syklus på overflaten av halvledermaterialet med delvis invasjon av volumet ved bruk av diffusjonsmetoder. Samtidig produseres fra flere titalls til flere tusen IC-er på én halvlederskive

De første hybride IC-ene.

GIS er et produkt av den evolusjonære utviklingen av mikromoduler og keramisk platemonteringsteknologi. Derfor virket de ubemerket; det er ingen generelt akseptert fødselsdato for GIS og ingen generelt anerkjent forfatter.

Halvleder-ICer var et naturlig og uunngåelig resultat av utviklingen av halvlederteknologi, men de krevde generering av nye ideer og etablering av ny teknologi, som har både fødselsdato og forfattere.

De første hybrid- og halvleder-IC-ene dukket opp i USSR og USA nesten samtidig og uavhengig av hverandre

Tilbake på slutten av 1940-tallet utviklet Centralab-selskapet i USA de grunnleggende prinsippene for produksjon av tykkfilm-keramikkbaserte trykte kretskort

Og på begynnelsen av 1950-tallet oppfant RCA-selskapet tynnfilmteknologi: ved å spraye forskjellige materialer i et vakuum og deponere dem gjennom en maske på spesielle underlag, lærte de hvordan de samtidig produsere mange miniatyrfilm som forbinder ledere, motstander og kondensatorer på en enkelt keramisk underlag

Sammenlignet med tykkfilmteknologi ga tynnfilmteknologi muligheten for mer presis produksjon av topologielementer i mindre størrelse, men krevde mer komplekst og kostbart utstyr. Enheter produsert på keramiske plater ved hjelp av tykkfilm- eller tynnfilmteknologi kalles "hybridkretser".

Men mikromodulen ble en hybrid integrert krets i det øyeblikket uemballerte transistorer og dioder ble brukt i den og strukturen ble forseglet i et felles hus

I USSR

De første GIS-modulene (moduler av typen "Kvant", senere betegnet IS-serien 116) i USSR ble utviklet i 1963 ved NIIRE (senere NPO Leninets, Leningrad) og samme år begynte pilotanlegget deres serieproduksjon. I disse GIS-ene ble halvleder-IC-er "R12-2", utviklet i 1962 av Riga Semiconductor Devices Plant, brukt som aktive elementer

Kvant-modulene var utvilsomt de første i GIS-verdenen med to-nivå integrasjon - de brukte halvleder-ICer i stedet for diskrete pakket transistorer som aktive elementer

I USA

Utseendet til tykkfilm-GIS, som hovedelementbasen til den nye IBM System / 360-datamaskinen, ble først kunngjort av IBM i 1964

Halvleder IC-er i "Micrologic"-serien fra Fairchild og "SN-51" fra TI var fortsatt utilgjengelig sjeldne og uoverkommelig dyre for kommersiell bruk, og bygget en stor datamaskin. Derfor tok IBM Corporation utformingen av en flat mikromodul som grunnlag, utviklet sin serie med tykkfilm GIS, annonsert under det generelle navnet (i motsetning til "mikromoduler") er "SLT-moduler" (Solid Logic Technology - solid logic technology. Vanligvis er ordet "solid" oversatt til russisk som "solid" ”, noe som er absolutt ulogisk. Faktisk ble begrepet “SLT-moduler” ” introdusert av IBM som en kontrast til begrepet “mikromodul” og burde gjenspeile deres forskjell. Ordet “solid” har andre betydninger – “solid”, “ hele", som med suksess understreker forskjellen mellom "SLT-moduler" og "mikromoduler"

SLT-modulen var en firkantet keramisk tykkfilm-mikroplate med innpressede vertikale pinner. Koblingsledere og motstander ble påført overflaten ved hjelp av silketrykk, og uemballerte transistorer ble installert. Kondensatorer, om nødvendig, ble installert ved siden av SLT-modulen

Selv om eksternt nesten er identiske (mikromoduler er litt høyere), skiller SLT-moduler seg fra flate mikromoduler i deres høyere tetthet av elementer, lavt strømforbruk, høy ytelse og høy pålitelighet

I tillegg var SLT-teknologien ganske enkel å automatisere, slik at de kunne produseres til en lav nok kostnad for bruk i kommersielt utstyr. Dette er akkurat det IBM trengte. Etter IBM begynte andre selskaper å produsere GIS, som GIS ble et kommersielt produkt for.

I begynnelsen av februar 2014, femtifemårsjubileet for opptredenen i verdenssamfunnet av en så integrert del av moderne kretsteknologi som den integrerte kretsen.

Vi minner deg om at i 1959 utstedte Federal Patent Office of the United States of America et patent til Texas Instruments for å lage en integrert krets.

Denne begivenheten ble kjent som fødselen til elektronikk-æraen og alle fordelene som følger av bruken.

Faktisk er den integrerte kretsen grunnlaget for de fleste elektriske apparater kjent for oss.

Ideen om å lage en integrert krets dukket først opp på begynnelsen av femtitallet av forrige århundre. Hovedargumentet for utseendet var miniatyrisering og reduksjon i kostnadene for elektriske apparater. I lang tid var tanker om implementeringen ganske enkelt i luften, til tross for at grener av kretsteknologi som TV og radio, samt datateknologi, aktivt utviklet seg i verden.

Opprettelsen av en integrert krets innebar forlatelse av unødvendige ledninger, monteringspaneler og isolasjon i produksjonen av kretser ved bruk av dioder og halvledertransistorer. Men i lang tid var det ingen som lyktes i å realisere slike tanker. Først etter det aktive arbeidet til en så talentfull og kjent ingeniør for moderne forskere som Jack Kilby (vinner av Nobelprisen i fysikk for oppfinnelsen av den integrerte kretsen i 2000), ble den første mikrokretsen presentert i 1958. Nesten seks måneder senere ble oppfinnelsen patentert av selskapet som Kilby jobbet for (Texas Instruments).

Selvfølgelig kan vi nå konstatere at den første mikrokretsen til den tyske forskeren Kilby var helt ubrukelig. Imidlertid ble flere og flere senere integrerte kretser opprettet på grunnlag av det, hvorav en var Robert Noyces teknologi - en silisiumplanbrikke.

R. Noyce hadde en høy stilling hos Fairchald Semiconductor, mer presist var han en av grunnleggerne. Noyces arbeid ble patentert nesten umiddelbart etter at Kilbys patent ble mottatt. Imidlertid, i motsetning til Kilbys chip, har Noyces utvikling vunnet popularitet blant store produsenter av elektrisk utstyr. Dette forårsaket en tvist mellom Texas Instruments og Fairchald Semiconductor og påfølgende rettssaker frem til 1969. Som et resultat ble Noyce kåret til den første oppfinneren av mikrokretser. Selv om dette sammentreffet av omstendigheter ikke opprørte eierne av begge selskapene i det hele tatt. Noen år tidligere kom de til en enstemmig avgjørelse og anerkjente begge forskerne som grunnleggerne av den integrerte kretsen med like rettigheter, og ga dem de høyeste prisene fra de amerikanske vitenskaps- og ingeniørmiljøene - National Medal of Science og National Medal of Technology .

Hvis du graver dypt inn i fortiden, kan du med sikkerhet si at før Noyce og Kilby introduserte mikrokretsen for verden, jobbet et ganske stort antall forskere med denne ideen og foreslo ikke mindre avanserte design. Blant dem er ingeniør Werner Jacobi (Tyskland). Utviklingen hans ble til og med patentert i 1949. I patentet skisserte ingeniøren utformingen av en mikrokrets bestående av 5 transistorer på et felles underlag. Senere, i 1952, ble prinsippet om å integrere kretskomponenter i en enkelt enhet beskrevet av den engelske ingeniøren D. Dammer. Etter ytterligere fem år kunngjorde Jeffrey Dummer det første fungerende eksemplet på en integrert krets-flip-flop basert på fire transistorer. Dessverre satte ikke engelske militærspesialister pris på Dummers oppfinnelse, selv om de burde ha gjort det. Som et resultat ble alt vitenskapsmannens arbeid suspendert. Senere ble Dummers oppfinnelse kalt stamfaderen til moderne mikrokretser, og vitenskapsmannen selv ble kalt profeten til den integrerte kretsen.

I 1957 godtok USA en søknad fra en annen ingeniør, Bernard Oliver, om patent på teknologien han beskrev for å produsere en monolittisk blokk ved bruk av tre plane transistorer.

Blant navnene på profetene til den moderne mikrokretsen er initialene til ingeniøren Harvick Johnson, som patenterte flere typer elektroniske komponenter av kretser på en brikke, men aldri mottok et eneste dokument som tillot implementeringen av oppdagelsene hans. En av disse metodene ble brukt av Jack Kilby, som mottok alle Johnsons laurbær.

6. februar 1959, for nøyaktig 55 år siden, US Federal Patent Office har utstedt et patent for oppfinnelsen av en integrert krets til Texas Instruments. Dermed ble teknologiens fødsel offisielt anerkjent, uten hvilken vi i dag ikke ville ha for hånden det store flertallet av de elektroniske enhetene vi er kjent med og egenskapene knyttet til dem.

Ideen om en integrert krets på slutten av 50-tallet, som de sier, var i luften. Transistoren er allerede opprettet; rask utvikling av radio- og fjernsynskretser, for ikke å nevne datateknologi, krevde å finne løsninger for miniatyrisering; Forbrukermarkedet trengte billigere utstyr. Ideen om å kaste ut alt overflødig fra en krets ved hjelp av halvledertransistorer og dioder (monteringspaneler, ledninger, hus og isolatorer), og samle essensen i en "murstein" - n-p-kryss - måtte uunngåelig komme til noens sinn.

Og slik ble det. Hun har kommet. Dessuten flere talentfulle ingeniører på en gang, men bare en av dem anses i dag for å være "faren til den integrerte kretsen" - Jack Kilby, en ansatt i Texas Instruments, som ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 2000 for oppfinnelsen av den integrerte kretsen. 24. juli 1958 skrev han ned ideen om en ny enhet i arbeidsdagboken sin; 12. september demonstrerte han en arbeidsprøve av mikrokretsen, forberedt og søkte patent, og mottok den 6. februar 1959 .

I rettferdighet bør det innrømmes at utformingen av Kilby germaniumbrikken praktisk talt var uegnet for industriell utvikling, noe som ikke kan sies om silisiumplanbrikken utviklet av Robert Noyce.

Robert Noyce, som jobbet hos Fairchald Semiconductor (han var en av grunnleggerne av dette selskapet), nesten samtidig og uavhengig av Kilby, utviklet sin egen versjon av den integrerte kretsdesignen, patenterte den og ... kastet Texas Instruments og Fairchald Semiconductor inn i en kontinuerlig patentkrig i 10 år, som endte 6. november 1969, avgjørelsen fra US Patent and Customs Court of Appeals, ifølge hvilken den eneste oppfinneren av mikrokretsen skulle betraktes... Robert Noyce! Den amerikanske høyesterett bekreftet denne avgjørelsen.

Selv før rettsdommen, i 1966, ble selskapene imidlertid enige om å anerkjenne hverandre som like rettigheter til den integrerte kretsen, og begge oppfinnerne, Kilby og Noyce, ble tildelt de samme høyeste prisene fra de amerikanske vitenskaps- og ingeniørmiljøene: National Medal of Science og National Medal of Technology.

Men det var andre som mye tidligere enn Kilby og Noyce formulerte designprinsippet og til og med patenterte en integrert krets. Den tyske ingeniøren Werner Jacobi tegner i sitt patent fra 1949 utformingen av en mikrokrets med 5 transistorer på et felles underlag. Den 7. mai 1952 beskrev den engelske radioingeniøren Geoffrey Dummer prinsippet om å integrere kretskomponenter til en enkelt enhet i sin offentlige tale på et symposium om elektroniske komponenter i Washington (Jack Kilby var forresten også til stede på dette symposiet); i 1957 presenterte han et fungerende eksempel på verdens første integrerte kretstrigger med 4 transistorer. Spesialister fra den britiske militæravdelingen forsto ikke det nye produktet og satte ikke pris på potensialet. Arbeidet ble stengt. Deretter ble Dummer kalt "profeten til den integrerte kretsen" i sitt hjemland; han ble invitert til å delta i mange nasjonale og internasjonale prosjekter for utvikling av elektroniske teknologier.

I USA i oktober samme år sendte Bernard Oliver inn en patentsøknad, som beskrev en metode for å produsere en monolittisk blokk med tre plane transistorer. Den 21. mai 1953 sendte ingeniør Harvick Johnson et forslag om flere måter å lage en rekke elektroniske kretskomponenter på en enkelt brikke. Det er morsomt at et av alternativene foreslått av Johnson ble uavhengig implementert og patentert av Jack Kilby 6 år senere. Fantastisk!

Detaljerte biografier om alle oppfinnerne av den integrerte kretsen, beskrivelser av hendelsene og omstendighetene til de store, tør jeg si det, oppfinnelsen kan lett finnes av alle i dag: alt dette er på Internett. På fødselsdagen til mikrokretsen vil jeg gjerne "gi ordet" til alle tre: Jeffrey Dummer, Jack Kilby og Robert Noyce. Til forskjellige tider i intervjuer delte de minner om «hvordan det var», deres tanker og erfaringer. Jeg valgte noen ord som jeg syntes var interessante...

Jeffrey Dummer:
"Med fremkomsten av transistoren og arbeidet med halvledere generelt, ser det i dag ut til at spørsmålet om å lage elektronisk utstyr i form av en solid blokk uten noen tilkoblingsledninger kan reises. Denne blokken kan bestå av lag med isolerende, ledende, likeretter og signalforsterkende materialer. Å definere de elektroniske funksjonene til komponenter og koble dem riktig kan gjøres ved å kutte ut deler av individuelle lag."
"I en av bøkene mine forklarte jeg årsaken til min fiasko som stor tretthet fra endeløse byråkratiske kriger, men kanskje dette er ikke den eneste grunnen. Faktum er at ingen ønsket å ta risiko. Krigsavdelingen vil ikke inngå kontrakt for et apparat som ikke er brakt til industriell standard. Noen utviklere ønsket ikke å påta seg en oppgave som var ukjent for dem. Det er en kylling og egg-situasjon. Amerikanere er økonomiske eventyrere, og i dette landet (som betyr England. - Yu.R.) alt skjer for sakte.»

Jack Kilby:
«Etter at transistoren kom på banen, var det en fornyet interesse for det som for en tid siden begynte å bli kalt «miniatyrisering». Det var aldri et mål i seg selv, men for et stort antall applikasjoner virket det veldig praktisk å samle flere komponenter på ett sted og pakke dem tett. Og så startet Sjøforsvaret et prosjekt om nærsikringer. De trengte virkelig en enhet der alle de elektroniske komponentene ble satt sammen på en plate på ikke mer enn en kvadrattomme. De hadde allerede brukt en god del penger, men fikk likevel ikke det de ville... Transistoren løste alle problemene. Generelt, da og nå, hvis du har et nytt produkt og det er av interesse for militæret, eller du kan ordne det på en slik måte at det vil være av interesse for militæret, så vil du som regel ha ikke noe problem å jobbe fordi du vil ha finansiering. Dette var sant i disse fjerne tider, og det er sant nå.»

"Hovedmotivet for å jobbe med en integrert krets var å redusere kostnadene ved å produsere utstyr. Riktignok forestilte jeg meg ikke på den tiden omfanget av den mulige kostnadsreduksjonen og hvor mye billighetsfaktoren ville utvide bruksområdet for elektronikk på helt andre områder. I 1958 kostet en enkelt silisiumtransistor, som heller ikke solgte særlig godt, rundt 10 dollar. I dag kan 10 dollar kjøpe mer enn 100 millioner transistorer. Jeg kunne ikke ha forutsett dette. Og jeg er sikker på at ingen forestilte seg at dette var mulig."

«Vi begynte å utvikle den første mikrokalkulatoren (bildet) for å utvide markedet for integrerte kretser: massemarkedet er viktig for dem. Vi solgte de første kalkulatorene for $500, i dag selger de for $4–5 og har blitt et engangsprodukt. Dette handler om spørsmålet om billigere priser.»

"Er oppfinnelsen av den integrerte kretsen min største prestasjon i livet? Å, definitivt!..."

Robert Noyce:
"Hos Fairchild begynte vi å jobbe med et ingeniørprosjekt som militæret kalte "molekylær ingeniørkunst." Det ble finansiert av Luftforsvaret. Det ble antatt at vi skulle lage en slags struktur, bygget av molekyl-på-molekyl eller til og med atom-på-atom-strukturer. Og en slik struktur skal utføre funksjonene til en elektronisk enhet. Dette var ikke akkurat vår profil, siden styrken til elektronikkindustrien alltid har vært i å syntetisere noe fra enkle elementer, i stedet for å prøve å finne opp et komplekst element. Enkle kretselementer lages: kondensatorer, motstander, forsterkerelementer, dioder, etc., og deretter syntetiseres den nødvendige funksjonen fra dem. I bunn og grunn har noe gått galt med molekylærteknikk.»

«Du spør om det først og fremst var en markedsføringsbeslutning å komme inn i integrerte kretser. Jeg tror ikke. Jeg tror at de fleste fremskritt av denne typen ikke ble spådd av markedsførere og ikke bevisst forberedt av dem. De oppsto heller fra logikk teknisk fremgang. Den tiden kunne karakteriseres slik: «Nå kan vi gjøre dette. Hvorfor prøver du ikke å selge den?" Og i dag kommer en fra markedsføring og sier: "Hvis vi hadde denne, kunne vi solgt den." Føler du hvor forskjellen er? Når det gjelder den integrerte kretsen, var det mest spennende følelsen av at det var behov for denne enheten. Alle har. Militæret, de sivile... Du skjønner, alle sammen!»