Primul circuit integrat. Istoria inventării circuitului integrat. scăderea costurilor echipamentelor

Introducere

De la apariția primelor computere, dezvoltatorii de software au visat hardware conceput pentru a le rezolva problema particulară. Prin urmare, ideea de a crea circuite integrate speciale care pot fi ascuțite pentru implementarea eficientă a unei sarcini specifice a apărut cu mult timp în urmă. Există două căi de dezvoltare aici:

• Utilizarea așa-numitelor circuite integrate specializate la comandă (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). După cum sugerează și numele, astfel de microcircuite sunt fabricate de producători hardware sub ordinul implementării efective a unei sarcini specifice sau a unei game de sarcini specifice. Nu au universalitate, ca microcircuitele convenționale, dar rezolvă sarcinile care le sunt atribuite de multe ori mai repede, uneori cu ordine de mărime.
• Crearea de cipuri cu arhitectură reconfigurabilă. Ideea este că astfel de cipuri ajung la dezvoltatorul de software sau utilizatorul într-o stare neprogramată, iar el poate implementa pe ele arhitectura care i se potrivește cel mai bine. Să aruncăm o privire mai atentă asupra procesului lor de dezvoltare.

De-a lungul timpului a apărut un număr mare de microcircuite diverse cu arhitectură reconfigurabilă (Fig. 1).

Fig. 1 Varietate de cipuri cu arhitectură reconfigurabilă

De destul de mult timp, pe piata au existat doar dispozitive PLD (Programmable Logic Device). Această clasă include dispozitive care implementează funcțiile necesare pentru rezolvarea sarcinilor sub forma unei disjunctive perfecte. forma normala(DNF perfect). Primele care au apărut în 1970 au fost microcircuitele PROM, care aparțin tocmai clasei de dispozitive PLD. Fiecare circuit avea o serie fixă ​​de funcții logice AND conectate la un set programabil de funcții logice SAU. De exemplu, luați în considerare un PROM cu 3 intrări (a,b și c) și 3 ieșiri (w,x și y) (Fig. 2).

Orez. 2. Cip PROM

Cu ajutorul unui tablou AND predefinit, toate conjuncțiile posibile sunt implementate pe variabilele de intrare, care pot fi apoi combinate arbitrar folosind elemente SAU. Astfel, la ieșire, orice funcție a trei variabile poate fi implementată ca un DNF perfect. De exemplu, dacă programați acele elemente SAU care sunt încercuite cu roșu în Figura 2, atunci ieșirile vor fi funcțiile w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Inițial, cipurile PROM au fost concepute pentru a stoca instrucțiuni de program și valori constante, de exemplu. pentru a îndeplini funcțiile memoriei computerului. Cu toate acestea, dezvoltatorii le folosesc și pentru a implementa funcții logice simple. De fapt, PROM-ul cipului poate fi folosit pentru a implementa orice bloc logic, atâta timp cât are un număr mic de intrări. Această condiție rezultă din faptul că matricea elementelor ȘI este definită rigid în microcircuite EPROM - toate conjuncțiile posibile de la intrări sunt realizate în ea, adică numărul de elemente ȘI este egal cu 2 * 2 n, unde n este numărul a intrărilor. Este clar că pe măsură ce numărul n crește, dimensiunea matricei crește foarte repede.

Apoi, în 1975, au apărut așa-numitele matrice logice programabile (PLM). Ele sunt o continuare a ideii de microcircuite PROM - PLA constă și din matrice AND și SAU, cu toate acestea, spre deosebire de PROM, ambele matrice sunt programabile. Acest lucru permite o mai mare flexibilitate în astfel de microcircuite, dar ele nu au fost niciodată comune, deoarece semnalele durează mult mai mult pentru a călători prin conexiuni programabile decât pentru a călători prin omologii lor predefiniti.

Pentru a rezolva problema vitezei inerentă PLA-urilor, la sfârșitul anilor 1970 a apărut următoarea clasă de dispozitive, numită Programmable Array Logic (PAL - Programmable Array Logic). O dezvoltare ulterioară a ideii de cipuri PAL a fost apariția dispozitivelor GAL (Generic Array Logic) - soiuri mai complexe de PAL folosind tranzistori CMOS. Aici, se folosește o idee care este exact opusă ideii de microcircuite PROM - o matrice programabilă de elemente AND este conectată la o matrice predefinită de elemente SAU (Fig. 3).

Orez. 3. Dispozitiv PAL neprogramat

Acest lucru impune o limitare a funcționalității, cu toate acestea, astfel de dispozitive necesită matrice de o dimensiune mult mai mică decât în ​​microcircuitele PROM.

Continuarea logică a PLD-urilor simple a fost apariția așa-numitelor PLD-uri complexe, formate din mai multe blocuri de PLD-uri simple (de obicei dispozitivele PAL sunt folosite ca PLD-uri simple), unite printr-o matrice de comutare programabilă. Pe lângă blocurile PLD în sine, a fost posibilă și programarea conexiunilor dintre ele folosind această matrice de comutare. Primele PLD complexe au apărut la sfârșitul anilor 70 și începutul anilor 80 ai secolului XX, dar principala dezvoltare în această direcție a venit în 1984, când Altera a introdus un PLD complex bazat pe o combinație de tehnologii CMOS și EPROM.

Apariția FPGA-urilor

La începutul anilor 1980, a existat un decalaj între principalele tipuri de dispozitive din mediul digital ASIC. Pe de o parte, au existat PLD-uri care pot fi programate pentru fiecare sarcină specifică și sunt destul de ușor de fabricat, dar nu pot fi folosite pentru a implementa funcții complexe. Pe de altă parte, există ASIC-uri care pot implementa funcții extrem de complexe, dar au o arhitectură fixă ​​rigid, în timp ce sunt lungi și costisitoare de fabricat. Era nevoie de o legătură intermediară, iar dispozitivele FPGA (Field Programmable Gate Arrays) au devenit o astfel de legătură.

FPGA-urile, ca și PLD-urile, sunt dispozitive programabile. Principala diferență fundamentală dintre FPGA și PLD este că funcțiile din FPGA sunt implementate nu cu ajutorul DNF, ci cu ajutorul tabelelor de căutare programabile (LUT-tables). În aceste tabele, valorile funcției sunt specificate folosind un tabel de adevăr, din care rezultatul dorit este selectat folosind un multiplexor (Fig. 4):

Orez. 4. Tabel de corespondență

Fiecare dispozitiv FPGA este format din blocuri logice programabile (Configurable Logic Blocks - CLB), care sunt interconectate prin conexiuni, de asemenea programabile. Fiecare astfel de bloc este destinat programării unei anumite funcții sau a unei părți a acesteia, cu toate acestea, poate fi utilizat în alte scopuri, de exemplu, ca memorie.

În primele dispozitive FPGA, dezvoltate la mijlocul anilor 80, blocul logic era foarte simplu și conținea o tabelă LUT cu 3 intrări, un flip-flop și un număr mic de elemente auxiliare. Dispozitivele FPGA moderne sunt mult mai complicate: fiecare bloc CLB este format din 1-4 „slices” (slice), fiecare dintre acestea conținând mai multe tabele LUT (de obicei 6 intrări), mai multe declanșatoare și un număr mare de elemente de serviciu. Iată un exemplu de „tăiere” modernă:

Orez. 5. Dispozitivul „tăiului” modern

Concluzie

Deoarece dispozitivele PLD nu pot implementa funcții complexe, acestea continuă să fie utilizate pentru a implementa funcții simple în dispozitive portabileși comunicații, în timp ce dispozitivele FPGA variind de la 1000 de porți (primul FPGA, dezvoltat în 1985) până la acest moment a depășit 10 milioane de valve (familia Virtex-6). Ele se dezvoltă activ și înlocuiesc deja cipurile ASIC, permițându-vă să implementați o varietate de funcții extrem de complexe, fără a pierde posibilitatea de reprogramare.

Implementarea acestor propuneri în acei ani nu a putut avea loc din cauza dezvoltării insuficiente a tehnologiei.

La sfârșitul anului 1958 și în prima jumătate a anului 1959, a avut loc o descoperire în industria semiconductoarelor. Trei oameni reprezentând trei corporații private americane au rezolvat trei probleme fundamentale care au împiedicat crearea de circuite integrate. Jack Kilby de Texas Instruments a patentat principiul unificării, a creat primele prototipuri IS imperfecte și le-a adus la producția de masă. Kurt Lehovec din Sprague Electric Company a inventat o metodă de izolare electrică a componentelor formate pe un singur cristal semiconductor (izolare printr-o joncțiune p-n (ing. Izolarea joncțiunii P–n)). Robert Noyce de Fairchild Semiconductor a inventat o modalitate conexiune electrica Componente IC (placare cu aluminiu) și a propus o versiune îmbunătățită a izolației componentelor bazată pe cea mai recentă tehnologie plană de Jean Ernie (ing. Jean Hoerni). 27 septembrie 1960 trupa lui Jay Last Jay Last) creat in Fairchild Semiconductor prima lucrare semiconductor IP despre ideile lui Noyce și Ernie. Texas Instruments, care deținea brevetul pentru invenția lui Kilby, a declanșat un război al brevetelor împotriva concurenților, care s-a încheiat în 1966 cu un acord privind acordarea de licențe încrucișate tehnologice.

CI-urile logice timpurii ale seriei menționate au fost construite literalmente din standard componente ale căror dimensiuni și configurații au fost specificate proces tehnologic. Inginerii de circuite care au proiectat circuite integrate logice ale unei anumite familii au funcționat cu aceleași diode și tranzistoare tipice. În 1961-1962 paradigma de design a fost ruptă de dezvoltatorul principal Sylvania Tom Longo, pentru prima dată folosind diverse configurația tranzistoarelor în funcție de funcțiile acestora în circuit. La sfârşitul anului 1962 Sylvania a lansat prima familie de logică tranzistor-tranzistor (TTL) dezvoltată de Longo - din punct de vedere istoric, primul tip de logică integrată care a reușit să câștige un loc pe piață pentru o lungă perioadă de timp. În circuitele analogice, o descoperire la acest nivel a fost făcută în 1964-1965 de către dezvoltatorul de amplificatoare operaționale Fairchild Bob Widlar.

Primul microcircuit intern a fost creat în 1961 la TRTI (Institutul de Inginerie Radio Taganrog) sub conducerea lui L. N. Kolesov. Acest eveniment a atras atenția comunității științifice a țării, iar TRTI a fost aprobat ca lider în sistemul Ministerului Învățământului Superior în problema creării de echipamente microelectronice de înaltă fiabilitate și automatizării producției acestora. Însuși L. N. Kolesov a fost numit președinte al Consiliului Coordonator pentru această problemă.

Primul din URSS hibrid de film gros circuit integrat(seria 201 „Calea”) a fost dezvoltată în 1963-65 la Institutul de Cercetare a Tehnologiei de Precizie („Angstrem”), producție în serie din 1965. La dezvoltare au participat specialiști de la NIEM (acum Institutul de Cercetare Argon).

Primul circuit integrat cu semiconductor din URSS a fost creat pe baza tehnologiei planare, dezvoltată la începutul anului 1960 la NII-35 (apoi redenumit Institutul de Cercetare Pulsar) de o echipă, care a fost ulterior transferată la NIIME ("Mikron"). . Crearea primului circuit integrat intern de siliciu a fost axată pe dezvoltarea și producția cu acceptarea militară a unei serii de circuite integrate de siliciu TC-100 (37 de elemente - echivalentul complexității circuitului unui flip-flop, un analog al americanului). Seria IC SN-51 de firme Texas Instruments). Prototipuri și mostre de producție de circuite integrate de siliciu pentru reproducere au fost obținute din SUA. Lucrarea a fost efectuată la NII-35 (director Trutko) și Uzina de semiconductori Fryazinsky (director Kolmogorov) în temeiul unui ordin de apărare pentru utilizare într-un altimetru autonom al unui sistem de ghidare a rachetelor balistice. Dezvoltarea a inclus șase circuite planare integrate tipice din siliciu din seria TS-100 și, odată cu organizarea producției pilot, a durat trei ani la NII-35 (din 1962 până în 1965). A fost nevoie de încă doi ani pentru a stăpâni producția din fabrică cu acceptare militară în Fryazino (1967).

În paralel, s-au desfășurat lucrări privind dezvoltarea unui circuit integrat la Biroul Central de Proiectare de la Uzina Voronezh de dispozitive semiconductoare (acum -). În 1965, în timpul unei vizite la VZPP a ministrului industriei electronice A. I. Shokin, uzina a fost însărcinată să efectueze lucrări de cercetare privind crearea unui circuit monolitic de siliciu - R&D „Titan” (Ordinul Ministerului nr. 92 din 16 august). , 1965), care a fost finalizat înainte de termen până la sfârșitul anului. Subiectul a fost înaintat cu succes Comisiei de Stat, iar o serie de 104 circuite logice diodă-tranzistor a devenit prima realizare fixă ​​în domeniul microelectronicii în stare solidă, care a fost reflectată în ordinul Ministerului Dezvoltării Economice din 30 decembrie, 1965 nr. 403.

Niveluri de proiectare

În prezent (2014), majoritatea circuitelor integrate sunt proiectate folosind sisteme CAD specializate, care vă permit să automatizați și să accelerați semnificativ procesele de producție, de exemplu, obținerea de măști fototopologice.

Clasificare

Gradul de integrare

În funcție de gradul de integrare, se folosesc următoarele denumiri de circuite integrate:

• circuit integrat mic (MIS) - până la 100 de elemente într-un cristal,
• circuit integrat mediu (SIS) - până la 1000 de elemente într-un cristal,
• circuit integrat mare (LSI) - până la 10 mii de elemente într-un cristal,
• circuit integrat foarte mare (VLSI) - mai mult de 10 mii de elemente într-un cristal.

Anterior, acum erau folosite și nume învechite: un circuit integrat la scară ultra-largă (ULSI) - de la 1-10 milioane la 1 miliard de elemente într-un cristal și, uneori, un circuit integrat giga-large (GBIS) - mai mult de 1 miliarde de elemente într-un cristal. În prezent, în anii 2010, denumirile „UBIS” și „GBIS” nu sunt practic utilizate, iar toate microcircuitele cu mai mult de 10 mii de elemente sunt clasificate ca VLSI.

Tehnologia de fabricație

Microansamblu hibrid STK403-090 scos din carcasă

• Microcircuit semiconductor - toate elementele și interconexiunile sunt realizate pe un singur cristal semiconductor (de exemplu, siliciu, germaniu, arseniură de galiu).

• Circuit integrat de film - toate elementele și interconexiunile sunt realizate sub formă de filme:
  • circuit integrat cu peliculă groasă;
  • circuit integrat cu peliculă subțire.
• Un cip hibrid (deseori denumit microasamblare), conține mai multe diode goale, tranzistoare goale și/sau alte componente electronice active. Microansamblul poate include, de asemenea, circuite integrate neambalate. Componentele de micro-asamblare pasive (rezistoare, condensatoare, inductori) sunt de obicei fabricate folosind tehnologii cu peliculă subțire sau cu peliculă groasă pe un substrat comun, de obicei ceramic, al microcircuitului hibrid. Întregul substrat cu componente este plasat într-o singură carcasă etanșă.
• Microcircuit mixt - pe lângă un cristal semiconductor, conține elemente pasive cu peliculă subțire (film gros) plasate pe suprafața cristalului.

Tipul semnalului procesat

• Analogic-digital.

Tehnologii de fabricație

Tipuri logice

Elementul principal al circuitelor analogice sunt tranzistoarele (bipolare sau de câmp). Diferența în tehnologia de fabricație a tranzistorilor afectează în mod semnificativ caracteristicile microcircuitelor. Prin urmare, adesea în descrierea microcircuitului, tehnologia de fabricație este indicată pentru a sublinia caracteristici generale proprietățile și capacitățile microcircuitului. ÎN tehnologii moderne combina tehnologiile bipolare si tranzistoare cu efect de câmp pentru a îmbunătăți performanța cipurilor.

• Microcircuitele pe tranzistoare unipolare (cu efect de câmp) sunt cele mai economice (din punct de vedere al consumului de curent):
  • Logica MOS (logica metal-oxid-semiconductor) - microcircuitele sunt formate din tranzistoare cu efect de câmp n-MOS sau p-tip MOS;
  • Logica CMOS (logica MOS complementară) - fiecare element logic microcircuitul constă dintr-o pereche de tranzistoare complementare (complementare) cu efect de câmp ( n-MOS și p-MOS).
• Microcircuite pe tranzistoare bipolare:
  • RTL - logica rezistor-tranzistor (învechit, înlocuit cu TTL);
  • DTL - logica diodă-tranzistor (învechit, înlocuit cu TTL);
  • TTL - logica tranzistor-tranzistor - microcircuitele sunt realizate din tranzistoare bipolare cu tranzistoare multi-emițător la intrare;
  • TTLSh - logica tranzistor-tranzistor cu diode Schottky - un TTL îmbunătățit care folosește tranzistori bipolari cu efect Schottky;
  • ESL - logica cuplată cu emițător - pe tranzistoare bipolare, al căror mod de funcționare este ales astfel încât să nu intre în modul de saturație, ceea ce crește semnificativ viteza;
  • IIL - logica integral-injectie.
• Microcircuite care utilizează atât tranzistori cu efect de câmp, cât și tranzistori bipolari:

Folosind același tip de tranzistoare, microcircuitele pot fi construite folosind metodologii diferite, cum ar fi statice sau dinamice.

Tehnologiile CMOS și TTL (TTLS) sunt cele mai comune logici de cip. Acolo unde este necesară economisirea consumului de curent, se folosește tehnologia CMOS, unde viteza este mai importantă și nu este necesară economisirea consumului de energie, se folosește tehnologia TTL. Punctul slab al microcircuitelor CMOS este vulnerabilitatea la electricitatea statică - este suficient să atingeți ieșirea microcircuitului cu mâna, iar integritatea acestuia nu mai este garantată. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor TTL și CMOS, microcircuitele se apropie din punct de vedere al parametrilor și, drept urmare, de exemplu, seria 1564 de microcircuite este realizată folosind tehnologia CMOS, iar funcționalitatea și amplasarea în carcasă sunt similare cu cele ale TTL. tehnologie.

Chipurile fabricate folosind tehnologia ESL sunt cele mai rapide, dar și cele mai consumatoare de energie și au fost utilizate în producția de informaticăîn cazurile în care cel mai important parametru era viteza de calcul. În URSS, cele mai productive computere de tip ES106x au fost fabricate pe microcircuite ESL. Acum această tehnologie este rar folosită.

Proces tehnologic

La fabricarea microcircuitelor se folosește metoda fotolitografiei (proiecție, contact etc.), în timp ce circuitul este format pe un substrat (de obicei siliciu) obținut prin tăierea monocristalelor de siliciu în plachete subțiri cu discuri de diamant. Datorită dimensiunilor mici ale elementelor de microcircuit, s-a renunțat la utilizarea luminii vizibile și chiar a radiațiilor ultraviolete apropiate în timpul iluminării.

Următoarele procesoare au fost fabricate folosind lumină UV (laser excimer ArF, lungime de undă 193 nm). În medie, introducerea de noi procese tehnice de către liderii industriei conform planului ITRS a avut loc la fiecare 2 ani, dubland în același timp numărul de tranzistori pe unitate de suprafață: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) , producția de 14 nm a început în 2014, dezvoltarea proceselor de 10 nm este așteptată în jurul anului 2018.

În 2015, s-au estimat că introducerea de noi procese tehnice va încetini.

Control de calitate

Pentru a controla calitatea circuitelor integrate, așa-numitele structuri de testare sunt utilizate pe scară largă.

Scop

Un circuit integrat poate avea o funcționalitate completă, arbitrar complexă - până la un întreg microcomputer (microcomputer cu un singur cip).

Circuite analogice

Analogic integrat (micro)sistem (AIS, OBIECTIVE) - un circuit integrat, ale cărui semnale de intrare și ieșire se modifică conform legii unei funcții continue (adică sunt semnale analogice).

O probă de laborator dintr-un circuit integrat analog a fost creată de Texas Instruments în SUA în 1958. Era un generator de schimbare de fază. În 1962, a apărut prima serie de microcircuite analogice - SN52. Avea un amplificator de joasă frecvență, un amplificator operațional și un amplificator video.

În URSS, o gamă largă de circuite integrate analogice a fost obținută până la sfârșitul anilor 1970. Utilizarea lor a făcut posibilă creșterea fiabilității dispozitivelor, simplificarea configurației echipamentelor și, adesea, chiar eliminarea necesității întreținereîn timpul operației.

Mai jos este o listă parțială a dispozitivelor ale căror funcții pot fi îndeplinite de circuite integrate analogice. Adesea, un microcircuit înlocuiește mai multe dintre ele simultan (de exemplu, K174XA42 conține toate nodurile unui receptor radio FM superheterodin).

• Filtre (inclusiv cele bazate pe efectul piezoelectric).
• multiplicatori analogici.
• Atenuatoare analogice și amplificatoare variabile.
• Stabilizatori de alimentare: stabilizatori de tensiune și curent.
• Microcircuite de control ale surselor de alimentare comutatoare.
• Convertoare de semnal.
• Diversi senzori.

Microcircuitele analogice sunt utilizate în echipamentele de amplificare și reproducere a sunetului, în aparatele de înregistrare video, televizoare, tehnologia comunicațiilor, instrumente de măsură, calculatoare analogice etc.

În calculatoarele analogice

• Amplificatoare operaționale (LM101, μA741).

În surse de alimentare

Chip stabilizator de tensiune KR1170EN8

• Stabilizatori liniari de tensiune (KR1170EN12, LM317).
• Stabilizatoare de tensiune de comutare (LM2596, LM2663).

În camere video și camere

• Senzori CCD (ICX404AL).
• rigle CCD (MLX90255BA).

În echipamentele de amplificare și reproducere a sunetului

• Amplificatoare de putere cu frecvență audio (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• UMZCH dual pentru echipamente stereo (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Diverse comenzi (K174UN10 - UMZCH cu două canale cu control electronic al răspunsului în frecvență, K174UN12 - control al volumului și echilibrului cu două canale).

În instrumentele de măsură În emițătoare și receptoare radio

• Detectoare de semnal AM (K175DA1).
• Detectoare de semnal FM (K174UR7).
• Mixere (K174PS1).
• Amplificatoare de înaltă frecvență (K157XA1).
• Amplificatoare de frecvență intermediară (K157XA2, K171UR1).
• Receptoare radio cu un singur cip (K174XA10).

Pe televizoare

• În canalul radio (K174UR8 - amplificator cu AGC, detector de imagine și sunet IF, K174UR2 - amplificator de tensiune de imagine IF, detector sincron, preamplificator semnal video, cheie sistem automat de control al câștigului).
• În canalul de culoare (K174AF5 - color R-, G-, B-signals shaper, K174XA8 - comutator electronic, amplificator limitator și demodulator de semnale de informații de culoare).
• În nodurile scanării (K174GL1 - generator de scanare de cadre).
• În circuitele de comutare, sincronizare, corecție și control (K174AF1 - selector de amplitudine a unui semnal de sincronizare, generator de impulsuri de frecvență orizontală, unitate de reglare automată a semnalului de frecvență și fază, generator de impulsuri de control orizontal, K174UP1 - amplificator de semnal de luminozitate, regulator electronic oscilație a semnalului de ieșire și nivel de negru).

Productie

Trecerea la dimensiuni submicronice ale elementelor integrale complică proiectarea AIMS. De exemplu, MOSFET-urile cu o lungime scurtă de poartă au o serie de caracteristici care limitează utilizarea lor în blocurile analogice: un nivel ridicat de zgomot de pâlpâire de joasă frecvență; o răspândire puternică a tensiunii de prag și a pantei, ceea ce duce la apariția unei tensiuni offset mari a amplificatoarelor diferențiale și operaționale; rezistență la semnal scăzut de ieșire și amplificarea cascadelor cu o sarcină activă; tensiune scăzută de defalcare a joncțiunilor p-n și decalajul dren-sursă, determinând o scădere a tensiunii de alimentare și o scădere interval dinamic.

În prezent, microcircuitele analogice sunt fabricate de multe companii: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments etc.

Circuite digitale

Circuit integrat digital(microcircuit digital) este un microcircuit integrat conceput pentru a converti și procesa semnale care se modifică conform legii unei funcții discrete.

Circuitele integrate digitale se bazează pe comutatoare cu tranzistori care pot fi în două stări stabile: deschis și închis. Utilizarea comutatoarelor cu tranzistori face posibilă crearea diverselor circuite logice, declanșatoare și alte circuite integrate. Circuitele integrate digitale sunt utilizate în dispozitivele de procesare a informațiilor discrete ale calculatoarelor electronice (calculatoare), sistemelor de automatizare etc.

• Convertoare tampon
• (Micro)procesoare (inclusiv procesoare pentru computere)
• Chip-uri și module de memorie
• FPGA (Circuite integrate logice programabile)

Circuitele integrate digitale au o serie de avantaje față de cele analogice:

• Consum redus de energie asociat cu utilizarea semnalelor electrice pulsate în electronica digitală. Atunci când recepționează și convertesc astfel de semnale, elementele active ale dispozitivelor electronice (tranzistoare) funcționează în modul „cheie”, adică tranzistorul este fie „deschis” - ceea ce corespunde unui semnal de nivel înalt (1), fie „închis” - (0), în primul caz pe tranzistor nu are cădere de tensiune, în al doilea - nu trece curent prin el. În ambele cazuri, consumul de energie este aproape de 0, spre deosebire de dispozitivele analogice, în care tranzistoarele sunt în stare intermediară (activă) de cele mai multe ori.
• Imunitate ridicată la zgomot dispozitivele digitale este asociată cu o diferență mare între semnalele de nivel înalt (de exemplu, 2,5-5 V) și scăzut (0-0,5 V). O eroare de stare este posibilă la un astfel de nivel de interferență încât un nivel ridicat este interpretat ca un nivel scăzut și invers, ceea ce este puțin probabil. În plus, în dispozitive digitale este posibil să se utilizeze coduri speciale care să permită corectarea erorilor.
• O diferență mare a nivelurilor stărilor semnalelor de nivel înalt și scăzut (logice „0” și „1”) și o gamă destul de largă de modificări permise ale acestora fac ca tehnologia digitală să fie insensibilă la răspândirea inevitabilă a parametrilor elementului în tehnologia integrată, elimină necesitatea de a selecta componente și de a configura elemente de reglare în dispozitivele digitale.

Circuite analog-digitale

Circuit integrat analog-digital(microcircuit analog-digital) - un circuit integrat conceput pentru a converti semnalele care se modifică conform legii unei funcții discrete, în semnale care se schimbă conform legii unei funcții continue și invers.

Adesea, un microcircuit îndeplinește funcțiile mai multor dispozitive simultan (de exemplu, ADC-urile de aproximare succesive conțin un DAC, astfel încât să poată efectua conversii în două sensuri). Lista de dispozitive (incompletă), ale căror funcții pot fi îndeplinite de circuite integrate analog-digitale:

• convertoare digital-analogic (DAC) și analog-digital (ADC);
• multiplexoare analogice (în timp ce (de)multiplexoarele digitale sunt circuite integrate pur digitale, multiplexoarele analogice conțin elemente logice digitale (de obicei un decodor) și pot conține circuite analogice);
• transceiver (de exemplu, un transceiver cu interfață de rețea ethernet);
• modulatoare și demodulatoare;
  • modemuri radio;
  • Decodoare pentru teletext, text radio VHF;
  • Transceiver și linii optice Fast Ethernet;
  • Dial-up modemuri;
  • Receptoare TV digitale;
  • Senzor optic mouse de calculator;
• cipuri de alimentare pentru dispozitive electronice - stabilizatoare, convertoare de tensiune, întrerupătoare de alimentare etc.;
• atenuatoare digitale;
• circuite cu buclă blocată în fază (PLL);
• generatoare și restauratoare de ceasuri;
• cristale de matrice de bază (BMC): conține atât circuite analogice, cât și digitale.

Seria de cipuri

Microcircuitele analogice și digitale sunt produse în serie. O serie este un grup de microcircuite care au un singur design și design tehnologic și sunt destinate utilizării în comun. Microcircuitele din aceeași serie, de regulă, au aceleași tensiuni ale surselor de alimentare, sunt potrivite în ceea ce privește rezistențele de intrare și ieșire, nivelurile de semnal.

Corp

Pachete de circuite integrate destinate montării la suprafață

Microansamblu cu un microcircuit fără cadru sudat pe o placă de circuit imprimat

Titluri specifice

Piața mondială

În 2017, piața globală a circuitelor integrate a fost estimată la 700 de miliarde de dolari.

Pe 12 septembrie 1958, un angajat al Texas Instruments (TI) Jack Kilby a demonstrat conducerii un dispozitiv ciudat - un dispozitiv lipit cu ceară de albine pe un substrat de sticlă din două bucăți de siliciu de 11,1x1,6 mm. Era un aspect tridimensional - un prototip al unui circuit integrat (IC) al unui generator, care demonstrează posibilitatea fabricării tuturor elementelor de circuit pe baza unui singur material semiconductor. Această dată este sărbătorită în istoria electronicii ca ziua de naștere a circuitelor integrate.

Circuitele integrate (microcircuite, circuite integrate) includ dispozitive electronice de complexitate variabilă, în care toate elementele de același tip sunt fabricate simultan într-un singur ciclu tehnologic, adică prin tehnologie integrată. Spre deosebire de plăci de circuite imprimate(în care toți conductorii de conectare sunt fabricați simultan într-un singur ciclu folosind tehnologia integrată) rezistențele, condensatorii, diodele și tranzistoarele sunt formate în mod similar în circuitele integrate. În plus, multe circuite integrate sunt produse în același timp, de la zeci la mii

Anterior, se distingeau două grupe de circuite integrate: hibride și semiconductoare

În circuitele integrate hibride (HIC), toți conductorii și elementele pasive sunt formate pe suprafața unui substrat de microcircuit (de obicei realizat din ceramică) folosind tehnologia integrată. Elementele active sub formă de diode fără pachet, tranzistori și cipuri IC semiconductoare sunt instalate pe substrat individual, manual sau automat

În circuitele integrate semiconductoare, elementele de conectare, pasive și active sunt formate într-un singur ciclu tehnologic pe suprafața unui material semiconductor cu o pătrundere parțială în volumul acestuia prin metode de difuzie. În același timp, de la câteva zeci la câteva mii de circuite integrate sunt fabricate pe o placă semiconductoare

Primele circuite integrate hibride.

GIS este un produs al dezvoltării evolutive a micromodulelor și a tehnologiei plăcilor ceramice. Prin urmare, au apărut imperceptibil, nu există o dată general acceptată de naștere a GIS și un autor general recunoscut.

Circuitele integrate semiconductoare au fost un rezultat natural și inevitabil al dezvoltării tehnologiei semiconductoarelor, dar au necesitat generarea de noi idei și crearea de noi tehnologii care au propriile date de naștere și proprii autori.

Primele circuite integrate hibride și semiconductoare au apărut în URSS și SUA aproape simultan și independent unele de altele.

La sfârșitul anilor 1940, Centralab din SUA a dezvoltat principiile de bază pentru fabricarea plăcilor de circuite imprimate cu peliculă groasă pe bază de ceramică.

Și la începutul anilor 1950, RCA a inventat tehnologia filmului subțire: prin pulverizarea diferitelor materiale în vid și depunându-le printr-o mască pe substraturi speciale, ei au învățat cum să producă simultan mai multe pelicule miniaturale care leagă conductori, rezistențe și condensatori pe un singur substrat ceramic. .

În comparație cu tehnologia cu peliculă groasă, tehnologia cu peliculă subțire a oferit posibilitatea unei producții mai precise a elementelor de topologie mai mici, dar a necesitat echipamente mai complexe și mai costisitoare. Dispozitivele fabricate pe plăci ceramice folosind tehnologia cu peliculă groasă sau cu peliculă subțire se numesc „circuite hibride”

Dar micromodulul a devenit un circuit integrat hibrid în momentul în care au fost folosite tranzistori și diode fără pachet, iar structura a fost sigilată într-o carcasă comună.

ÎN URSS

Primele GIS (module de tip „Kvant”, denumite ulterior IS seria 116) din URSS au fost dezvoltate în 1963 la NIIRE (mai târziu NPO Leninets, Leningrad) și în același an și-a început producția în masă a fabricii sale pilot. În aceste GIS, circuitele integrate semiconductoare „P12-2” au fost folosite ca elemente active, dezvoltate în 1962 de Uzina de dispozitive semiconductoare din Riga.

Fără îndoială, modulele Kvant au fost primele GIS din lume cu integrare pe două niveluri - ca elemente active au folosit nu tranzistori discreti fără cadru, ci circuite integrate semiconductoare.

ÎN S.U.A

Apariția GIS cu peliculă groasă ca element principal de bază al noului computer IBM System /360 a fost anunțată pentru prima dată de IBM Corporation în 1964.

Circuitele integrate semiconductoare din seria „Micrologic” de la Fairchild și „SN-51” de la TI erau încă inaccesibil de rare și prohibitiv de scumpe pentru uz comercial, construind un computer mainframe. Prin urmare, IBM, luând ca bază proiectarea unui micromodul plat, a dezvoltat propria sa serie de GIS cu peliculă groasă, anunțată sub denumirea comună (spre deosebire de „micromodule”) - „SLT-module” (Solid Logic Technology - tehnologie solidă logică. De obicei, cuvântul „solid” este tradus în rusă ca „solid” , ceea ce este absolut ilogic. Într-adevăr, termenul „module SLT „ a fost introdus de IBM ca contrast cu termenul „micromodul” și ar trebui să reflecte diferența dintre acestea. Cuvântul „solid” are alte semnificații - „solid”, „întreg”. , care subliniază cu succes diferența dintre „module SLT” și „micromodule”

Modulul SLT a fost o microplacă ceramică pătrată cu peliculă groasă, cu pini verticali presați. Conductoarele de conectare și rezistențele au fost aplicate pe suprafața sa prin serigrafie și au fost instalate tranzistoare fără pachet. Condensatorii, dacă era necesar, au fost instalați lângă modulul SLT

Cu un aspect aproape identic (micromodulele sunt ceva mai înalte), modulele SLT se deosebeau de micromodulele plate printr-o densitate mai mare de elemente, consum redus de energie, viteză mare și fiabilitate ridicată.

În plus, tehnologia SLT era destul de ușor de automatizat, astfel încât acestea puteau fi produse la un cost suficient de mic pentru a fi utilizate în echipamente comerciale. Este exact ceea ce avea nevoie IBM. După IBM, GIS a început să fie produs de alte companii pentru care GIS a devenit un produs comercial.

În primele zile ale lunii februarie 2014, a fost marcată cea de-a cincizeci și cinci de ani de la apariția în comunitatea mondială a unei astfel de părți integrante a circuitelor moderne ca un circuit integrat.

Vă reamintim că în 1959 Oficiul Federal de Brevete al Statelor Unite ale Americii a eliberat un brevet pentru Texas Instruments pentru crearea unui circuit integrat.

Acest eveniment a fost remarcat ca fiind nașterea erei electronicelor și a tuturor beneficiilor care decurg din utilizarea sa.

Într-adevăr, circuitul integrat stă la baza majorității aparatelor electrice cunoscute de noi.

Pentru prima dată, ideea creării unui circuit integrat a apărut la începutul anilor cincizeci ai secolului trecut. Principalul argument pentru apariția sa a fost miniaturizarea și reducerea costului aparatelor electrice. Multă vreme, gândurile despre implementarea sa au fost pur și simplu în aer, în ciuda faptului că astfel de ramuri ale circuitelor precum televiziunea și radioul, precum și tehnologia computerelor, se dezvoltau activ în lume.

Crearea unui circuit integrat a însemnat respingerea firelor suplimentare, a panourilor de montare, a izolației în producția de circuite bazate pe diode și tranzistoare semiconductoare. Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp nimeni nu a fost capabil să realizeze astfel de idei. Abia după munca activă a unui inginer atât de talentat și cunoscut ca Jack Kilby (câștigător al Premiului Nobel pentru Fizică pentru inventarea circuitului integrat în 2000), în 1958, a fost introdus primul microcircuit. Aproape șase luni mai târziu, invenția a fost brevetată de compania pentru care a lucrat Kilby (Texas Instruments).

Desigur, acum putem afirma faptul că primul microcircuit al savantului german Kilby a fost complet inutilizabil. Cu toate acestea, toate circuitele integrate ulterioare au fost create pe baza acesteia, dintre care unul a fost tehnologia lui Robert Noyce - un microcircuit plan de siliciu.

R. Noyce a deținut o poziție înaltă în Fairchald Semiconductor, mai exact, a fost unul dintre fondatorii acesteia. Lucrarea lui Noyce a fost brevetată aproape imediat după acordarea brevetului lui Kilby. Cu toate acestea, spre deosebire de cipul Kilby, designul lui Noyce a fost solicitat printre principalii producători de electricitate. Acest lucru a provocat o dispută între Texas Instruments și Fairchald Semiconductor și litigii ulterioare până în 1969. Drept urmare, Noyce a fost numit primul inventator de microcircuite. Deși o astfel de combinație de circumstanțe nu i-a supărat deloc pe proprietarii ambelor companii. Cu câțiva ani mai devreme, au ajuns la o decizie unanimă și i-au recunoscut pe ambii oameni de știință drept fondatorii unui circuit integrat cu aceleași drepturi, oferindu-le cele mai înalte premii din partea comunităților științifice și de inginerie din SUA - Medalia Națională a Științei și Medalia Națională a Tehnologie.

Dacă săpați bine în trecut, atunci puteți spune cu încredere că înainte ca Noyce și Kilby să introducă microcircuitul în lume, un număr destul de mare de oameni de știință au lucrat la această idee, care au oferit modele nu mai puțin avansate. Printre aceștia se numără și inginerul Werner Jacobi (Germania). Dezvoltarea sa a fost chiar patentată în 1949. În brevet, inginerul a schițat designul unui microcircuit de 5 tranzistori pe un substrat comun. Mai târziu, în 1952, principiul integrării componentelor circuitelor într-o singură unitate a fost descris de inginerul englez D. Dummer. După încă cinci ani, Jeffrey Dummer a anunțat primul eșantion de lucru al unui circuit flip-flop integrat bazat pe patru tranzistoare. Din păcate, specialiștii britanici ai unităților militare nu au apreciat invențiile lui Dammer, deși ar fi trebuit. Drept urmare, toată munca savantului a fost suspendată. Mai târziu, invenția lui Dummer a fost numită precursorul microcircuitelor moderne, iar omul de știință însuși a fost numit profetul circuitului integrat.

În 1957, în Statele Unite ale Americii, un alt inginer Bernard Oliver a cerut un brevet pentru tehnologia pe care a descris-o pentru producerea unui bloc monolit pe trei tranzistoare plane.

Printre numele profeților microcircuitului modern se numără inițialele inginerului Harvick Johnson, care a brevetat mai multe tipuri de creare a componentelor electronice ale circuitelor pe un singur cip simultan, dar nu a primit niciodată un singur document care să permită realizarea descoperirilor sale. Una dintre aceste metode a fost folosită de Jack Kilby, care a primit toți laurii lui Johnson.

6 februarie 1959, acum exact 55 de ani, Oficiul Federal de Brevete din SUA a acordat Texas Instruments un brevet pentru invenția unui circuit integrat. Astfel, a fost recunoscută oficial nașterea tehnologiei, fără de care, astăzi, nu am avea la îndemână marea majoritate a dispozitivelor electronice familiare nouă și capabilitățile asociate acestora.

Ideea unui circuit integrat la sfârșitul anilor 50, după cum se spune, era în aer. Tranzistorul a fost deja creat; circuitele de radio și televiziune în dezvoltare rapidă, ca să nu mai vorbim de tehnologia informatică, au necesitat căutarea soluțiilor de miniaturizare; piața de consum avea nevoie de echipamente mai ieftine. Ideea de a arunca tot ce este de prisos din circuitul pe tranzistoare și diode semiconductoare (panouri de montare, fire, carcase și izolatoare), adunându-și esența - joncțiuni n-p - într-o singură „cărămidă” - trebuia inevitabil să vină în capul cuiva.

Și așa s-a întâmplat. A venit. Mai mult decât atât, mai mulți ingineri talentați deodată, dar doar unul dintre ei este astăzi considerat „părintele circuitului integrat” - Jack Kilby, angajat al Texas Instruments, care a primit Premiul Nobel pentru fizică în 2000 pentru inventarea circuitul integrat. La 24 iulie 1958, a notat ideea unui nou dispozitiv în jurnalul său de lucru, la 12 septembrie, a demonstrat o probă de funcționare a microcircuitului, a pregătit și a depus o cerere de brevet, iar la 6 februarie 1959 a primit-o. .

Pentru a fi corect, designul microcircuitului cu germaniu al lui Kilby a fost practic nepotrivit pentru dezvoltarea industrială, ceea ce nu se poate spune despre microcircuitul planar de siliciu dezvoltat de Robert Noyce.

Robert Noyce, care a lucrat la Fairchald Semiconductor (a fost și unul dintre fondatorii acestei companii), aproape simultan și independent de Kilby, și-a dezvoltat propria versiune a designului unui circuit integrat, a brevetat-o ​​și... a plonjat Texas Instruments și Fairchald Semiconductor într-un război continuu de brevete timp de 10 ani, care s-a încheiat la 6 noiembrie 1969 prin decizia Curții de Apel din SUA pentru Brevete și Vamă, potrivit căreia singurul inventator al microcircuitului ar trebui considerat... Robert Noyce! Curtea Supremă a SUA a menținut această decizie.

Cu toate acestea, chiar înainte de verdictul instanței, în 1966, companiile au convenit să-și recunoască reciproc drepturi egale la circuitul integrat, iar ambii inventatori - Kilby și Noyce au primit aceleași premii cele mai înalte din partea comunităților științifice și ingineriei din SUA: Medalia Națională a Știință și medalia națională a tehnologiei.

Dar au fost alții care, mult mai devreme decât Kilby și Noyce, au formulat principiul de proiectare și chiar au brevetat circuitul integrat. Inginerul german Werner Jacobi, în brevetul său din 1949, desenează un design de circuit de 5 tranzistoare pe un substrat comun. La 7 mai 1952, inginerul radio englez Jeffrey Dummer a descris principiul integrării componentelor circuitelor într-o singură unitate în discursul său public la un simpozion despre componente electronice din Washington (Jack Kilby, de altfel, a fost prezent și el la acest simpozion); în 1957, el a prezentat un prototip funcțional al primului flip-flop integrat cu 4 tranzistori din lume. Specialiștii din departamentul militar al Angliei nu au înțeles noutatea și nu i-au apreciat potențialul. Lucrările au fost închise. Ulterior, în patria sa, Dummer a fost numit „profetul circuitului integrat”, a fost invitat să participe la multe proiecte naționale și internaționale pentru dezvoltarea tehnologiilor electronice.

În Statele Unite, în octombrie a aceluiași an, Bernard Oliver a depus o cerere de brevet, în care a descris o metodă de fabricare a unui bloc monolitic de trei tranzistori plani. Pe 21 mai 1953, inginerul Harvick Johnson a depus o cerere pentru mai multe moduri de a forma o varietate de componente ale circuitelor electronice într-un singur cip. E amuzant că una dintre opțiunile propuse de Johnson a fost implementată independent și patentată de Jack Kilby 6 ani mai târziu. Minunat!

Biografii detaliate ale tuturor inventatorilor circuitului integrat, descrieri ale evenimentelor și împrejurărilor celor mari, nu mă tem de cuvânt, invențiile de astăzi pot fi găsite cu ușurință de oricine: toate acestea sunt pe Web. Eu, de ziua de naștere a microcircuitului, aș vrea să le „dau cuvântul” celor trei: Jeffrey Dummer, Jack Kilby și Robert Noyce. În diferite momente într-un interviu, ei și-au împărtășit amintirile „cum a fost”, gândurile și experiențele lor. Am ales niște afirmații care mi s-au părut interesante...

Geoffrey Dummer:
„Odată cu apariția tranzistorului și munca la semiconductori în general, astăzi pare posibil să se ridice problema creării de echipamente electronice sub forma unui bloc solid fără fire de conectare. Acest bloc poate consta din straturi de materiale izolatoare, conductoare, de redresare și de amplificare a semnalului. Setarea funcțiilor electronice ale componentelor și conectarea lor corectă se poate face prin tăierea porțiunilor din straturile individuale.”
„Într-una dintre cărțile mele, am explicat motivul eșecului meu ca fiind foarte obosit de războaie birocratice nesfârșite, dar poate că acesta nu este singurul lucru. Cert este că nimeni nu a vrut să-și asume riscuri. Departamentul de Război nu va încheia un contract pentru un dispozitiv care nu a fost adus la un desen industrial. Unii dezvoltatori nu au vrut să se ocupe de un caz necunoscut pentru ei. Aceasta este o situație de pui și ou. Americanii sunt aventurieri financiari, iar în această țară (adică Anglia. - Yu. R.) totul merge prea încet.”

Jack Kilby:
„După ce tranzistorul a apărut pe scenă, a existat un interes reînnoit pentru ceea ce în urmă cu ceva timp a ajuns să fie numit „miniaturizare”. Nu a fost niciodată un scop în sine, dar pentru un număr mare de aplicații, mi s-a părut foarte convenabil să colectezi mai multe componente într-un singur loc și să le împachetezi mai bine. Și apoi, Marina a început un proiect privind siguranțe de proximitate. Chiar aveau nevoie de un dispozitiv în care toate componentele electronice să fie asamblate pe o placă cu centimetri pătrați, nu mai mult. Cheltuiseră deja o sumă bună de bani, dar nu au obținut niciodată ceea ce și-au dorit... Tranzistorul a rezolvat toate problemele. În general, atunci și acum, dacă aveți un produs nou și este de interes pentru militari sau îl puteți aranja în așa fel încât să fie de interes pentru militari, atunci, de regulă, veți lucra fără probleme, pentru că vei avea finanțare. Era adevărat în acele vremuri îndepărtate, este adevărat acum.”

„Motivul principal pentru a lucra la circuitul integrat a fost reducerea costurilor echipamentelor de fabricație. Adevărat, la acea vreme nu prea îmi imaginam amploarea posibilei reduceri a prețului și cât de mult ar extinde factorul de ieftinitate domeniul de aplicare a electronicii în domenii complet diferite. În 1958, un tranzistor de siliciu, care nu s-a vândut prea bine, a costat aproximativ 10 USD. Astăzi, 10 USD pot cumpăra peste 100 de milioane de tranzistori. Nu aș fi putut să prevăd asta. Și sunt sigur că nimeni nu și-a imaginat posibilitatea ca asta.

„Am început să dezvoltăm primul microcalculator (foto) pentru a extinde piața de circuite integrate: piața de masă este importantă pentru ei. Primele calculatoare le-am vândut cu 500 de dolari, astăzi sunt vândute cu 4-5 dolari și au devenit un produs de unică folosință. Este vorba despre problema reducerii costurilor.

„Este inventarea circuitului integrat cea mai mare realizare a mea în viață? Oh, cu siguranță!...”

Robert Noyce:
„La Fairchild, am început să lucrăm la un proiect de inginerie pe care armata l-a numit „inginerie moleculară”. A fost finanțat de Forțele Aeriene. Trebuia să creăm un fel de structură construită din construcții moleculă-pe-moleculă sau chiar atom-pe-atom. Și o astfel de structură ar trebui să îndeplinească funcțiile unui dispozitiv electronic. Nu era tocmai profilul nostru, pentru că puterea industriei electronice a fost întotdeauna să sintetizeze ceva din elemente simple, și nu să încercăm să inventăm un element complex. Se creează elemente simple de circuit: condensatoare, rezistențe, elemente de amplificare, diode etc., iar apoi din ele se sintetizează funcția necesară. În general, ceva a mers prost cu ingineria moleculară.”

„Întrebi dacă a fost în primul rând o decizie de marketing să mergi în circuite integrate. Nu cred. Cred că majoritatea realizărilor de acest gen nu au fost prezise de marketeri și nu au fost pregătite în mod conștient de ei. Ele au apărut mai degrabă din logică progres tehnic. Acea perioadă ar putea fi descrisă după cum urmează: „Acum putem face asta. De ce nu încerci să-l vinzi?" Și astăzi vine cineva de la marketing și spune: „Dacă am avea asta, atunci l-am putea vinde”. Simți unde este diferența? În cazul circuitului integrat, cel mai incitant lucru a fost senzația că era nevoie de acest dispozitiv. Toți au. Pentru militari, pentru civili... Vedeți, pentru toată lumea!