História vzniku integrovanej dosky. Séria mikroobvodov. Funkčné riadenie integrovaných obvodov a testovacích obvodov

Úvod

Od príchodu prvých počítačov vývojári softvéru snívali o hardvéri navrhnutom tak, aby presne vyriešil ich problém. Preto sa myšlienka vytvorenia špeciálnych integrovaných obvodov, ktoré môžu byť prispôsobené na efektívne vykonávanie konkrétnej úlohy, objavila už nejaký čas. Sú tu dve cesty rozvoja:

• Použitie takzvaných špecializovaných vlastných integrovaných obvodov (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Ako už názov napovedá, takéto čipy vyrábajú výrobcovia hardvér na mieru, aby efektívne vykonávali konkrétnu úlohu alebo rozsah úloh. Nemajú všestrannosť bežných mikroobvodov, ale úlohy, ktoré im boli pridelené, riešia mnohokrát rýchlejšie, niekedy aj rádovo.
• Vytvorenie mikroobvodov s rekonfigurovateľnou architektúrou. Ide o to, že takéto čipy prídu k vývojárovi alebo používateľovi softvéru v nenaprogramovanom stave a ten na nich môže implementovať architektúru, ktorá mu najviac vyhovuje. Pozrime sa bližšie na proces ich formovania.

Postupom času sa objavilo veľké množstvo rôznych čipov s rekonfigurovateľnou architektúrou (obr. 1).

Obr. 1 Rôzne čipy s rekonfigurovateľnou architektúrou

Pomerne dlho na trhu existovali iba zariadenia PLD (Programmable Logic Device). Táto trieda zahŕňa zariadenia, ktoré implementujú funkcie potrebné na riešenie priradených problémov vo forme dokonalého disjunktívu normálny tvar(dokonalé DNF). Ako prvé sa v roku 1970 objavili čipy EEPROM, ktoré patria konkrétne do triedy PLD zariadení. Každý obvod mal pevné pole logických funkcií AND spojených s programovateľnou sadou logických funkcií OR. Uvažujme napríklad PROM s 3 vstupmi (a, b a c) a 3 výstupmi (w, x a y) (obr. 2).

Ryža. 2. PROM čip

Pomocou preddefinovaného poľa AND sú implementované všetky možné konjunkcie nad vstupnými premennými, ktoré je potom možné ľubovoľne kombinovať pomocou prvkov OR. Na výstupe teda môžete implementovať akúkoľvek funkciu troch premenných vo forme dokonalého DNF. Napríklad, ak naprogramujete tie prvky OR, ktoré sú na obrázku 2 zakrúžkované červenou farbou, potom výstupy vytvoria funkcie w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Pôvodne boli čipy PROM určené na uchovávanie programových inštrukcií a konštantných hodnôt, t.j. vykonávať funkcie pamäte počítača. Vývojári ich však využívajú aj na implementáciu jednoduchých logických funkcií. V skutočnosti môže byť PROM čipu použitý na implementáciu akéhokoľvek logického bloku za predpokladu, že má malý počet vstupov. Táto podmienka vyplýva zo skutočnosti, že v mikroobvodoch EEPROM je matica prvkov AND presne definovaná - sú v nej implementované všetky možné spojenia zo vstupov, to znamená, že počet prvkov AND sa rovná 2 * 2 n, kde n je počet vstupov. Je jasné, že s rastúcim číslom n veľkosť poľa rastie veľmi rýchlo.

Ďalej, v roku 1975, sa objavili takzvané programovateľné logické polia (PLM). Sú pokračovaním myšlienky PROM mikroobvodov - PLM tiež pozostávajú z polí AND a OR, avšak na rozdiel od PROM sú obe polia programovateľné. To poskytuje väčšiu flexibilitu pre takéto čipy, ale nikdy neboli bežné, pretože prenos signálov cez programovateľné spojenia trvá oveľa dlhšie ako cez ich preddefinované náprotivky.

Na vyriešenie problému rýchlosti, ktorý je súčasťou PLM, sa koncom sedemdesiatych rokov objavila ďalšia trieda zariadení nazývaná programovateľná logika poľa (PAL). Ďalším vývojom myšlienky čipov PAL bol vznik zariadení GAL (Generic Array Logic) - zložitejších odrôd PAL pomocou tranzistorov CMOS. Tu použitá myšlienka je presne opačná ako myšlienka PROM čipov - programovateľné pole prvkov AND je spojené s preddefinovaným poľom prvkov OR (obr. 3).

Ryža. 3. Nenaprogramované zariadenie PAL

To predstavuje obmedzenie funkčnosti, avšak takéto zariadenia vyžadujú podstatne menšie polia ako v čipoch EPROM.

Logickým pokračovaním jednoduchých PLD bol vznik takzvaných komplexných PLD, pozostávajúcich z niekoľkých blokov jednoduchých PLD (zvyčajne sa zariadenia PAL používajú ako jednoduché PLD), spojených programovateľnou spínacou maticou. Okrem samotných blokov PLD bolo možné pomocou tejto prepínacej matice naprogramovať aj spojenia medzi nimi. Prvé komplexné PLD sa objavili koncom 70. a začiatkom 80. rokov 20. storočia, ale hlavný rozvoj tejto oblasti nastal v roku 1984, kedy Altera predstavila komplexné PLD založené na kombinácii technológií CMOS a EPROM.

Príchod FPGA

Začiatkom osemdesiatych rokov sa v digitálnom prostredí ASIC otvorila priepasť medzi hlavnými typmi zariadení. Na jednej strane to boli PLD, ktoré sa dajú naprogramovať pre každú konkrétnu úlohu a sú celkom jednoduché na výrobu, ale nedajú sa použiť na implementáciu zložitých funkcií. Na druhej strane existujú ASIC, ktoré dokážu implementovať extrémne zložité funkcie, ale majú pevne pevnú architektúru a ich výroba je časovo náročná a drahá. Bol potrebný medzičlánok a takým spojom sa stali zariadenia FPGA (Field Programmable Gate Arrays).

FPGA, podobne ako PLD, sú programovateľné zariadenia. Hlavný zásadný rozdiel medzi FPGA a PLD je v tom, že funkcie v FPGA nie sú implementované pomocou DNF, ale pomocou programovateľných vyhľadávacích tabuliek (LUT). V týchto tabuľkách sú hodnoty funkcií špecifikované pomocou pravdivostnej tabuľky, z ktorej sa pomocou multiplexora vyberie požadovaný výsledok (obr. 4):

Ryža. 4. Tabuľka korešpondencie

Každé FPGA zariadenie pozostáva z programovateľných logických blokov (Configurable Logic Blocks - CLB), ktoré sú vzájomne prepojené spojmi, ktoré sú tiež programovateľné. Každý takýto blok je určený na programovanie určitej funkcie alebo jej časti, ale môže byť použitý na iné účely, napríklad ako pamäť.

V prvých FPGA zariadeniach, vyvinutých v polovici 80. rokov, bol logický blok veľmi jednoduchý a obsahoval jeden 3-vstupový LUT, jeden klopný obvod a malý počet pomocných prvkov. Moderné zariadenia FPGA sú oveľa zložitejšie: každý blok CLB pozostáva z 1-4 „rezov“, z ktorých každý obsahuje niekoľko tabuliek LUT (zvyčajne 6-vstupové), niekoľko spúšťačov a veľké množstvo servisných prvkov. Tu je príklad moderného „plátku“:

Ryža. 5. Zariadenie moderného "strihu"

Záver

Pretože zariadenia PLD nemôžu implementovať zložité funkcie, naďalej sa používajú na implementáciu jednoduchých funkcií prenosné zariadenia a komunikácie, zatiaľ čo zariadenia FPGA s veľkosťou 1000 brán (prvé FPGA vyvinuté v roku 1985) tento moment prekročila hranicu 10 miliónov brány (rodina Virtex-6). Aktívne sa vyvíjajú a už nahrádzajú čipy ASIC, čo umožňuje implementáciu rôznych mimoriadne zložitých funkcií bez straty schopnosti preprogramovania.

Teraz ešte viac či menej pokročilé Mobilné telefóny nezaobíde bez mikroprocesora, nehovoriac o tabletoch, notebookoch a stolných počítačoch osobné počítače. Čo je to mikroprocesor a ako sa vyvíjala história jeho vzniku? Zjednodušene povedané, mikroprocesor je zložitejší a multifunkčný integrovaný obvod.

Začína história mikroobvodu (integrovaného obvodu). od roku 1958, keď zamestnanec americkej firmy Texas Instruments Jack Kilby vynašiel isté polovodičové zariadenie obsahujúce v jednom puzdre niekoľko tranzistorov, spojených vodičmi. Prvý mikroobvod - predchodca mikroprocesora - obsahoval iba 6 tranzistorov a bol to tenká doska z germánia s nanesenými stopami zo zlata, to všetko bolo umiestnené na sklenenom substráte. Pre porovnanie, dnes existujú jednotky a dokonca desiatky miliónov polovodičových prvkov.

Do roku 1970 pomerne veľa výrobcov sa zaoberalo vývojom a tvorbou integrovaných obvodov rôznych kapacít a rôznych funkčných oblastí. No tento rok možno považovať za dátum narodenia prvého mikroprocesora. Práve tento rok Intel vytvoril pamäťový čip s kapacitou len 1 Kbit – pre moderné procesory zanedbateľný, no na tú dobu neskutočne veľký. V tom čase to bol obrovský úspech - pamäťový čip bol schopný uložiť až 128 bajtov informácií - oveľa viac ako podobné analógy. Okrem toho približne v rovnakom čase japonský výrobca kalkulačiek Busicom objednal rovnaké mikroobvody Intel 12 rôznych funkčných oblastí. Špecialisti Intelu dokázali implementovať všetkých 12 funkčných oblastí do jedného čipu. Okrem toho sa vytvorený mikroobvod ukázal ako multifunkčný, pretože umožnil programovo meniť jeho funkcie bez zmeny fyzickej štruktúry. Mikroobvod vykonával určité funkcie v závislosti od príkazov odoslaných na jeho ovládacie kolíky.

Do roka v roku 1971 Intel uvádza na trh prvý 4-bitový mikroprocesor s kódovým označením 4004. V porovnaní s prvým mikroobvodom so 6 tranzistormi obsahoval až 2,3 tisíc polovodičových prvkov a vykonal 60 tisíc operácií za sekundu. V tom čase to bol obrovský prelom v oblasti mikroelektroniky. 4-bit znamenal, že 4004 dokáže spracovať 4-bitové dáta naraz. O dva roky viac v roku 1973 Spoločnosť vyrába 8-bitový procesor 8008, ktorý už pracoval s 8-bitovými dátami. Začiatok od roku 1976, spoločnosť začína vyvíjať 16-bitovú verziu mikroprocesora 8086. Práve on sa začal používať v prvých osobných počítačoch IBM a v podstate položil jeden zo stavebných kameňov v r.

Analógové a digitálne mikroobvody sa vyrábajú sériovo. Séria je skupina mikroobvodov, ktoré majú jednotný dizajn a technologický dizajn a sú určené na spoločné použitie. Mikroobvody rovnakej série majú spravidla rovnaké napájacie napätia a sú prispôsobené z hľadiska vstupných a výstupných odporov a úrovní signálu.

1. Púzdra

Mikroobvody sú dostupné v dvoch dizajnových variantoch - zabalené a nezabalené.

Kryt mikroobvodu je nosný systém a časť konštrukcie určená na ochranu pred vonkajšími vplyvmi a na elektrické spojenie s vonkajšími obvodmi pomocou kolíkov. Puzdrá sú štandardizované, aby sa zjednodušila technológia výroby hotových výrobkov.

Bezobalový mikroobvod je polovodičový kryštál určený na inštaláciu do hybridného mikroobvodu alebo mikrozostavy (je možná priama montáž na dosku plošných spojov).

1. Konkrétne mená

Intel ako prvý vyrobil čip, ktorý vykonával funkcie mikroprocesora (anglicky microprocessor) - Intel 4004. Na základe vylepšených mikroprocesorov 8088 a 8086 vydala spoločnosť IBM svoje slávne osobné počítače)

Mikroprocesor tvorí jadro počítača, doplnkové funkcie, ako napríklad komunikácia s perifériami, boli vykonávané pomocou špeciálne navrhnutých čipsetov (čipset). Pri prvých počítačoch bol počet mikroobvodov v súpravách v desiatkach a stovkách, v moderné systémy Ide o súpravu jedného, ​​dvoch alebo troch mikroobvodov. V poslednej dobe je tendencia postupne prenášať funkcie čipsetu (radič pamäte, radič zbernice PSI Express) na procesor.

Mikroprocesory so zabudovanou RAM a ROM, pamäťovými a I/O radičmi a ďalšími doplnkovými funkciami sa nazývajú mikrokontroléry.

1. Právna ochrana

Ruská legislatíva poskytuje topológiám integrovaných obvodov právnu ochranu. Topológia integrovaný obvod je priestorovo-geometrické usporiadanie súboru prvkov integrovaného obvodu a spojenia medzi nimi zaznamenané na hmotnom médiu (článok 1448 Občianskeho zákonníka Ruskej federácie).

Výhradné právo na topológiu je platné desať rokov. Počas tohto obdobia môže držiteľ autorských práv podľa vlastného uváženia zaregistrovať topológiu u Federálnej služby pre duševné vlastníctvo, patenty a ochranné známky.

1. História stvorenia

7. mája 1952 britský rádiový inžinier Geoffrey Dummer prvýkrát navrhol myšlienku integrácie viacerých štandardných elektronických komponentov do monolitického polovodičového čipu a o rok neskôr podal Harwick Johnson vôbec prvú patentovú prihlášku na prototyp integrovaného obvodu (IC). . Realizácia týchto návrhov sa v týchto rokoch nemohla uskutočniť pre nedostatočný rozvoj techniky.

Koncom roku 1958 a v prvej polovici roku 1959 nastal v polovodičovom priemysle prelom. Traja muži zastupujúci tri súkromné ​​americké korporácie vyriešili tri zásadné problémy, ktoré bránili vytvoreniu integrovaných obvodov. Jack Kilby z Texas Instruments patentoval princíp integrácie, vytvoril prvé, nedokonalé, prototypy integrovaného obvodu a priviedol ich do sériovej výroby. Kurt Legowec zo spoločnosti Sprague Electric Company vynašiel metódu na elektrickú izoláciu komponentov vytvorených na jedinom polovodičovom čipe (izolácia p-n prechodu). Robert Noyce z Fairchild Semiconductor vynašiel metódu elektrického prepojenia komponentov IC (pokovovanie hliníka) a navrhol vylepšenú verziu izolácie komponentov založenú na najnovšej planárnej technológii Jeana Ernyho. 27. septembra 1960 vytvorila skupina Jay Lasta prvý funkčný polovodič IP založené na myšlienkach Noycea a Ernieho. Spoločnosť Texas Instruments, ktorá vlastnila patent na Kilbyho vynález, spustila patentovú vojnu proti svojim konkurentom, ktorá sa skončila v roku 1966 dohodou o urovnaní technológií krížových licencií.

Skoré logické integrované obvody spomínanej série boli doslova postavené štandardné komponenty, ktorých veľkosti a konfigurácie boli určené technologickým postupom. Návrhári obvodov, ktorí navrhli logické integrované obvody konkrétnej rodiny, pracovali s rovnakými štandardnými diódami a tranzistormi. V rokoch 1961-1962 popredný vývojár Sylvania Tom Longo prelomil dizajnovú paradigmu tým, že ju prvýkrát použil v jednom IC. rôzne konfigurácie tranzistorov v závislosti od ich funkcií v obvode. Koncom roku 1962 vydala Sylvania prvú rodinu tranzistorovo-tranzistorovej logiky (TTL) vyvinutú Longom – historicky prvý typ integrovanej logiky, ktorej sa podarilo dlhodobo presadiť na trhu. V analógových obvodoch urobil prielom tejto úrovne v rokoch 1964-1965 dizajnér operačného zosilňovača Fairchild Bob Widlar.

Prvý polovodičový integrovaný obvod v ZSSR bol vytvorený na základe planárnej technológie vyvinutej začiatkom roku 1960 v NII-35 (vtedy premenovanej na Pulsar Research Institute) tímom, ktorý bol neskôr presunutý do NIIME (Mikron). Vytvorenie prvého domáceho kremíkového integrovaného obvodu sa sústredilo na vývoj a výrobu s vojenskou akceptáciou série integrovaných kremíkových obvodov TC-100 (37 prvkov - ekvivalent zložitosti obvodu klopného obvodu, analógu amerického Integrované obvody série SN-51 od Texas Instruments). Prototypové vzorky a výrobné vzorky kremíkových integrovaných obvodov na reprodukciu boli získané z USA. Práce sa vykonali v NII-35 (riaditeľ Trutko) a polovodičovom závode Fryazino (riaditeľ Kolmogorov) pre obrannú objednávku na použitie v autonómnom výškomere pre navádzací systém balistických rakiet. Vývoj zahŕňal šesť štandardných integrovaných kremíkových planárnych obvodov série TS-100 a s organizáciou pilotnej výroby trval na NII-35 tri roky (od roku 1962 do roku 1965). Trvalo ďalšie dva roky, kým sa vyvinula továrenská výroba s vojenskou akceptáciou vo Fryazino (1967)

Prvé integrované obvody

Venované 50. výročiu oficiálneho dátumu

B. Malaševič

Zamestnanec Texas Instruments (TI) Jack Kilby predviedol 12. septembra 1958 vedeniu tri podivné zariadenia - zariadenia vyrobené z dvoch kusov kremíka s rozmermi 11,1 x 1,6 mm zlepených včelím voskom na sklenenom substráte (obr. 1). Išlo o trojrozmerné makety - prototypy integrovaného obvodu (IC) generátora, dokazujúce možnosť výroby všetkých obvodových prvkov na báze jedného polovodičového materiálu. Tento dátum sa v histórii elektroniky oslavuje ako narodeniny integrovaných obvodov. Ale je to tak?

Ryža. 1. Layout prvej IP od J. Kilbyho. Fotografia zo stránky http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Minaturized.html

Koncom 50-tych rokov vyčerpala technológia zostavovania elektronických zariadení (REA) z diskrétnych prvkov svoje možnosti. Svet sa dostal do akútnej krízy REA, boli potrebné radikálne opatrenia. V tom čase už boli v USA a ZSSR priemyselne zvládnuté integrované technológie na výrobu polovodičových súčiastok, ako aj hrubovrstvových a tenkovrstvových keramických dosiek plošných spojov, t. j. boli zrelé predpoklady na prekonanie tejto krízy vytvorením viacprvkových štandardné produkty - integrované obvody.

Integrované obvody (čipy, IO) zahŕňajú elektronické zariadenia rôznej zložitosti, v ktorých sa všetky podobné prvky vyrábajú súčasne v jedinom technologickom cykle, t.j. pomocou integrovanej technológie. Na rozdiel od dosiek plošných spojov (v ktorých sú všetky spojovacie vodiče súčasne vyrábané v jednom cykle pomocou integrovanej technológie), rezistory, kondenzátory a (v polovodičových integrovaných obvodoch) diódy a tranzistory sú v integrovaných obvodoch vytvorené podobne. Okrem toho sa mnohé integrované obvody vyrábajú súčasne, od desiatok po tisíce.

Integrované obvody sú vyvíjané a vyrábané priemyslom vo forme sérií, kombinujúcich množstvo mikroobvodov na rôzne funkčné účely, určených na spoločné použitie v elektronických zariadeniach. Sériové integrované obvody majú štandardný dizajn a jednotný systém elektrických a iných charakteristík. IC dodáva výrobca rôznym spotrebiteľom ako nezávislé komerčné produkty, ktoré spĺňajú určitý systém štandardizovaných požiadaviek. Integrované obvody sú neopraviteľné produkty; pri opravách elektronických zariadení sa chybné integrované obvody vymieňajú.

Existujú dve hlavné skupiny integrovaných obvodov: hybridné a polovodičové.

V hybridných integrovaných obvodoch (HIC) sú všetky vodiče a pasívne prvky vytvorené na povrchu mikroobvodového substrátu (zvyčajne keramického) pomocou integrovanej technológie. Aktívne prvky v podobe bezbalíkových diód, tranzistorov a polovodičových IC kryštálov sa inštalujú na substrát jednotlivo, ručne alebo automaticky.

V polovodičových integrovaných obvodoch sa spojovacie, pasívne a aktívne prvky vytvárajú v jedinom technologickom cykle na povrchu polovodičového materiálu (spravidla kremíka) s čiastočnou inváziou jeho objemu pomocou difúznych metód. Zároveň sa na jednom polovodičovom plátku v závislosti od zložitosti zariadenia a veľkosti jeho kryštálu a plátku vyrába od niekoľkých desiatok až po niekoľko tisíc IC. Priemysel vyrába polovodičové integrované obvody v štandardných baleniach, vo forme jednotlivých čipov alebo vo forme nerozdelených doštičiek.

Uvedenie hybridných (GIS) a polovodičových integrovaných obvodov do sveta prebiehalo rôznymi spôsobmi. GIS je produktom evolučného vývoja mikromodulov a technológie montáže keramických dosiek. Preto sa javili nepovšimnuté, neexistuje všeobecne uznávaný dátum narodenia GIS ani všeobecne uznávaný autor. Polovodičové integrované obvody boli prirodzeným a nevyhnutným výsledkom vývoja polovodičovej techniky, ale vyžadovali si generovanie nových nápadov a vytváranie novej technológie, ktoré majú svoje vlastné dátumy narodenia a vlastných autorov. Prvé hybridné a polovodičové integrované obvody sa objavili v ZSSR a USA takmer súčasne a nezávisle od seba.

Prvé hybridné integrované obvody

Hybridné integrované obvody zahŕňajú integrované obvody, ktorých výroba spája integrálnu technológiu výroby pasívnych prvkov s individuálnou (manuálnou alebo automatizovanou) technológiou inštalácie a montáže aktívnych prvkov.

Koncom štyridsiatych rokov minulého storočia vyvinula spoločnosť Centralab v USA základné princípy výroby dosiek plošných spojov na báze keramiky s hrubou vrstvou, ktoré potom vyvinuli ďalšie spoločnosti. Základom bola technológia výroby dosiek plošných spojov a keramických kondenzátorov. Z dosiek plošných spojov sme prevzali integrovanú technológiu tvarovania topológie spojovacích vodičov - sieťotlač. Z kondenzátorov - materiál substrátu (keramika, často sital), ako aj materiály pást a tepelná technológia ich fixácie na substráte.

A začiatkom 50-tych rokov spoločnosť RCA vynašla tenkovrstvovú technológiu: striekaním rôznych materiálov vo vákuu a ich ukladaním cez masku na špeciálne substráty sa naučili súčasne vyrábať mnoho miniatúrnych fólií spájajúcich vodiče, odpory a kondenzátory na jednom keramický substrát.

V porovnaní s hrubovrstvovou technológiou poskytovala tenkovrstvová technológia možnosť presnejšej výroby menších prvkov topológie, ale vyžadovala si zložitejšie a drahšie vybavenie. Zariadenia vyrábané na keramických doskách plošných spojov pomocou technológie s hrubým alebo tenkým filmom sa nazývajú „hybridné obvody“. Hybridné obvody sa vyrábali ako komponenty produktov vlastnej výroby, každý výrobca mal svoj dizajn, rozmery a funkčné účely, nedostali sa na voľný trh, a preto sú málo známe.

Hybridné obvody tiež napadli mikromoduly. Najprv používali diskrétne pasívne a aktívne miniatúrne prvky, zjednotené tradičnými plošnými spojmi. Technológia montáže bola zložitá, s obrovským podielom ručnej práce. Preto boli mikromoduly veľmi drahé a ich použitie bolo obmedzené na palubné zariadenia. Potom sa použili hrubovrstvové miniatúrne keramické šatky. Ďalej sa rezistory začali vyrábať technológiou hrubého filmu. Ale použité diódy a tranzistory boli stále diskrétne, jednotlivo zabalené.

Z mikromodulu sa stal hybridný integrovaný obvod v momente, keď v ňom boli použité nezabalené tranzistory a diódy a konštrukcia bola utesnená v spoločnom puzdre. To umožnilo výrazne zautomatizovať proces ich montáže, výrazne znížiť ceny a rozšíriť rozsah použitia. Na základe spôsobu tvarovania pasívnych prvkov sa rozlišujú hrubovrstvové a tenkovrstvové GIS.

Prvý GIS v ZSSR

Prvé GIS (moduly typu „Kvant“, neskôr označené IS séria 116) v ZSSR boli vyvinuté v roku 1963 v NIIRE (neskôr NPO Leninets, Leningrad) a v tom istom roku začala ich sériová výroba v jej pilotnom závode. V týchto GIS sa ako aktívne prvky použili polovodičové integrované obvody „R12-2“, vyvinuté v roku 1962 závodom na výrobu polovodičových zariadení v Rige. Vzhľadom na neoddeliteľnosť histórie vzniku týchto integrovaných obvodov a ich charakteristík sa nimi budeme zaoberať spoločne v časti venovanej P12-2.

Moduly Kvant boli nepochybne prvé vo svete GIS s dvojúrovňovou integráciou – ako aktívne prvky používali skôr polovodičové integrované obvody ako diskrétne zabalené tranzistory. Je pravdepodobné, že boli aj prví vo svete GIS - štrukturálne a funkčne kompletné viacprvkové produkty, dodávané spotrebiteľovi ako samostatný komerčný produkt. Najstaršími zahraničnými podobnými produktmi, ktoré autor identifikoval, sú moduly IBM Corporation SLT opísané nižšie, ale boli ohlásené v nasledujúcom roku 1964.

Prvý GIS v USA

Vzhľad hrubovrstvového GIS ako hlavnej základne prvkov nového počítača IBM System /360 bol prvýkrát oznámený spoločnosťou IBM v roku 1964. Zdá sa, že išlo o prvé použitie GIS mimo ZSSR, autorovi sa nepodarilo nájsť predchádzajúce príklady .

Polovodičové integrované obvody série „Micrologic“ od Fairchild a „SN-51“ od TI (budeme o nich hovoriť nižšie), už v tom čase v odborných kruhoch, boli stále nedostupne zriedkavé a neúmerne drahé pre komerčné aplikácie, ako je konštrukcia veľký počítač. Preto spoločnosť IBM, ktorá vychádza z návrhu plochého mikromodulu, vyvinula svoju sériu hrubovrstvových GIS, ohlásených pod všeobecným názvom (na rozdiel od „mikromodulov“) – „moduly SLT“ (Solid Logic Technology – pevné logická technológia. Slovo „pevné“ sa do ruštiny zvyčajne prekladá ako „pevné“, čo je absolútne nelogické. V skutočnosti termín „moduly SLT“ zaviedla spoločnosť IBM na rozdiel od termínu „mikromodul“ a mal by odrážať ich rozdiel. moduly sú „pevné“, teda tento preklad nie je Slovo „pevné“ má iné významy – „pevné“, „celé“, ktoré úspešne zdôrazňujú rozdiel medzi „modulmi SLT“ a „mikromodulmi“ – moduly SLT sú nedeliteľné, neopraviteľné, teda „celé.“ Nepoužili sme všeobecne uznávaný preklad do ruštiny: Solid Logic Technology – technológia pevnej logiky).

Modul SLT bola polpalcová štvorcová keramická hrubovrstvová mikroplatnička so zalisovanými vertikálnymi kolíkmi. Na jeho povrch sa pomocou sieťotlače naniesli spojovacie vodiče a odpory (podľa schémy realizovaného zariadenia) a osadili sa nezabalené tranzistory. V prípade potreby boli kondenzátory inštalované vedľa modulu SLT na doske zariadenia. Kým navonok takmer identické (mikromoduly sú o niečo vyššie, obr. 2.), moduly SLT sa od plochých mikromodulov líšili vyššou hustotou prvkov, nízkou spotrebou energie, vysokým výkonom a vysokou spoľahlivosťou. Okrem toho sa technológia SLT dala celkom ľahko automatizovať, a preto sa dali vyrábať vo veľkých množstvách za dostatočne nízke náklady na použitie v komerčných zariadeniach. Presne toto IBM potrebovalo. Spoločnosť vybudovala automatizovaný závod v East Fishkill pri New Yorku na výrobu SLT modulov, ktorý ich vyrábal v miliónoch kópií.

Ryža. 2. Mikromodul ZSSR a modul SLT f. IBM. Fotografia STL zo stránky http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

Po IBM začali GIS vyrábať aj ďalšie spoločnosti, pre ktoré sa GIS stal komerčným produktom. Štandardný dizajn plochých mikromodulov a SLT modulov od IBM sa stal jedným zo štandardov pre hybridné integrované obvody.

Prvé polovodičové integrované obvody

Koncom 50. rokov 20. storočia mal priemysel všetky príležitosti na výrobu lacných prvkov elektronických zariadení. Ale ak boli tranzistory alebo diódy vyrobené z germánia a kremíka, potom rezistory a kondenzátory boli vyrobené z iných materiálov. Mnohí potom verili, že pri vytváraní hybridných obvodov nebudú žiadne problémy s montážou týchto prvkov, vyrábaných samostatne. A ak je možné vyrobiť všetky prvky štandardnej veľkosti a tvaru, a tým automatizovať proces montáže, potom sa náklady na zariadenie výrazne znížia. Na základe takýchto úvah ju priaznivci hybridnej technológie považovali za všeobecný smer rozvoja mikroelektroniky.

Ale nie všetci zdieľali tento názor. Faktom je, že mesa tranzistory a najmä planárne tranzistory, ktoré už v tom období vznikli, boli prispôsobené na skupinové spracovanie, v ktorom sa súčasne vykonávalo množstvo operácií na výrobu mnohých tranzistorov na jednej podložnej doske. To znamená, že na jednom polovodičovom plátku bolo naraz vyrobených veľa tranzistorov. Potom bola doska rozrezaná na jednotlivé tranzistory, ktoré boli umiestnené v jednotlivých prípadoch. A potom výrobca zariadenia spojil tranzistory na jeden vytlačená obvodová doska. Boli ľudia, ktorí si mysleli, že tento prístup je smiešny - prečo oddeľovať tranzistory a potom ich znova spájať. Je možné ich okamžite spojiť na polovodičovom plátku? Zároveň sa zbavte niekoľkých zložitých a nákladných operácií! Títo ľudia prišli s polovodičovými integrovanými obvodmi.

Myšlienka je veľmi jednoduchá a úplne jasná. Ale, ako sa to často stáva, až potom, čo to niekto prvýkrát oznámil a dokázal. Dokázal, že obyčajné oznámenie často, ako v tomto prípade, nestačí. Myšlienka integrovaného obvodu bola oznámená už v roku 1952, pred príchodom skupinových metód na výrobu polovodičových zariadení. Zapnuté výročná konferencia o elektronických komponentoch, ktorá sa konala vo Washingtone, zamestnanec Britského kráľovského radarového úradu v Malverne, Jeffrey Dummer, predložil správu o spoľahlivosti komponentov radarového vybavenia. V správe urobil prorocké vyhlásenie: „ S nástupom tranzistora a prácou v oblasti polovodičovej techniky je vo všeobecnosti možné si predstaviť elektronické zariadenie vo forme pevného bloku, ktorý neobsahuje žiadne spojovacie vodiče. Blok môže pozostávať z vrstiev izolačných, vodivých, rektifikačných a výstužných materiálov, v ktorých sú určité oblasti vyrezané tak, aby mohli priamo vykonávať elektrické funkcie.. Ale táto predpoveď zostala bez povšimnutia odborníkov. Spomenuli si na to až po objavení sa prvých polovodičových integrovaných obvodov, teda po praktickom dôkaze dlho propagovanej myšlienky. Niekto musel byť prvý, kto znovu objavil a implementoval myšlienku polovodičového integrovaného obvodu.

Podobne ako v prípade tranzistora, aj tu mali všeobecne uznávaní tvorcovia polovodičových integrovaných obvodov viac či menej úspešných predchodcov. Sám Dammer sa pokúsil realizovať svoj nápad v roku 1956, ale neuspel. V roku 1953 získal Harvick Johnson z RCA patent na jednočipový oscilátor a v roku 1958 spolu s Torkelom Wallmarkom oznámili koncept „polovodičového integrovaného zariadenia“. V roku 1956 zamestnanec Bell Labs Ross vyrobil binárny počítací obvod založený na n-p-n-p základštruktúry v jedinom kryštáli. V roku 1957 získal Yasuro Taru z japonskej spoločnosti MITI patent na kombináciu rôznych tranzistorov v jednom kryštáli. Ale všetky tieto a ďalšie podobné vývojové trendy mali súkromný charakter, neboli uvedené do výroby a nestali sa základom pre vývoj integrovanej elektroniky. Len tri projekty prispeli k rozvoju duševného vlastníctva v priemyselnej výrobe.

Tými šťastlivcami boli už spomínaný Jack Kilby z Texas Instruments (TI), Robert Noyce z Fairchild (obaja z USA) a Yuri Valentinovich Osokin z dizajnérskej kancelárie závodu Riga Semiconductor Device Plant (ZSSR). Američania vytvorili experimentálne vzorky integrovaných obvodov: J. Kilby - prototyp IC generátora (1958), a potom spúšť na mesa tranzistoroch (1961), R. Noyce - spúšť využívajúca planárnu technológiu (1961) a Yu. Osokin – logický IC „2NOT-OR“ sa okamžite začal sériovo vyrábať v Nemecku (1962). Tieto spoločnosti začali sériovú výrobu IP takmer súčasne, v roku 1962.

Prvé polovodičové integrované obvody v USA

IP od Jacka Kilbyho. Séria IS SN - 51"

V roku 1958 J. Kilby (priekopník v používaní tranzistorov v sluchové pomôcky) presťahovala do Texas Instruments. Nováčik Kilby ako dizajnér obvodov bol „vrhnutý“ do zlepšovania mikromodulárneho plnenia rakiet vytvorením alternatívy k mikromodulom. Zvažovala sa možnosť zostavenia blokov z dielov štandardná forma, podobne ako pri skladaní modelov hračiek z figúrok LEGO. Kilbyho však zaujalo niečo iné. Rozhodujúcu úlohu zohral efekt „sviežeho vzhľadu“: po prvé, okamžite uviedol, že mikromoduly sú slepou uličkou, a po druhé, keď obdivoval mesa štruktúry, dospel k myšlienke, že obvod by mal (a môže) byť realizované z jedného materiálu - polovodiča. Kilby vedel o Dummerovom nápade a jeho neúspešnom pokuse o jeho realizáciu v roku 1956. Po analýze pochopil dôvod zlyhania a našiel spôsob, ako ho prekonať. “ Mojou zásluhou je, že som sa chopil tejto myšlienky a pretavil ju do reality.“, povedal J. Kilby neskôr vo svojom Nobelovom prejave.

Keďže ešte nezískal právo odísť, pracoval v laboratóriu bez zasahovania, zatiaľ čo všetci odpočívali. 24. júla 1958 Kilby sformuloval koncept v laboratórnom časopise s názvom Monolithic Idea. Jeho podstatou bolo, že „. ..obvodové prvky ako rezistory, kondenzátory, distribuované kondenzátory a tranzistory môžu byť integrované do jedného čipu - za predpokladu, že sú vyrobené z rovnakého materiálu... Pri konštrukcii klopného obvodu musia byť všetky prvky vyrobené z kremíka, pričom odpory využívajú objemový odpor kremíka a kondenzátory - kapacitu p-n prechodov". Nápad „monolitu“ sa stretol s blahosklonným a ironickým postojom vedenia Texas Instruments, ktoré požadovalo dôkaz o možnosti výroby tranzistorov, rezistorov a kondenzátorov z polovodiča a prevádzkyschopnosti obvodu zostaveného z takýchto prvkov.

V septembri 1958 Kilby zrealizoval svoj nápad - vyrobil generátor z dvoch kusov germánia s rozmermi 11,1 x 1,6 mm, zlepených včelím voskom na sklenenom substráte, obsahujúci dva typy difúznych oblastí (obr. 1). Tieto oblasti a existujúce kontakty využil na vytvorenie obvodu generátora, pričom prvky spojil tenkými zlatými drôtmi s priemerom 100 mikrónov pomocou termokompresného zvárania. Z jednej oblasti vznikol mezatranzistor a z druhej RC obvod. Zmontované tri generátory boli predvedené vedeniu spoločnosti. Po pripojení napájania začali pracovať na frekvencii 1,3 MHz. Stalo sa tak 12. septembra 1958. O týždeň neskôr Kilby vyrobil zosilňovač podobným spôsobom. Ale to ešte neboli integrované štruktúry, boli to trojrozmerné makety polovodičových integrovaných obvodov, čo dokazuje myšlienku výroby všetkých prvkov obvodu z jedného materiálu - polovodiča.

Ryža. 3. Typ spúšte 502 J. Kilby. Fotografia zo stránky http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Minaturized.html

Prvým skutočne integrovaným Kilbyho obvodom, vyrobeným z jedného kusu monolitického germánia, bol experimentálny spúšťací obvod typu 502 (obr. 3). Využíval tak objemový odpor germánia, ako aj kapacitu p-n prechodu. Jeho predstavenie sa uskutočnilo v marci 1959. Malý počet takýchto integrovaných obvodov bol vyrobený v laboratórnych podmienkach a predávaný malému okruhu za 450 dolárov. Integrovaný obvod obsahoval šesť prvkov: štyri mesa tranzistory a dva odpory, umiestnené na kremíkovej doštičke s priemerom 1 cm, ale Kilby IC mal vážnu nevýhodu - mesa tranzistory, ktoré sa v podobe mikroskopických „aktívnych“ stĺpcov týčili nad zvyšok, „pasívna“ časť kryštálu. Vzájomné spojenie stolových stĺpov v IS Kilby sa uskutočňovalo varením tenkých zlatých drôtov - všetkými nenávidená „chlpatá technológia“. Ukázalo sa, že s takýmito prepojeniami nie je možné vytvoriť mikroobvod s veľkým počtom prvkov - drôtená pavučina sa zlomí alebo znovu spojí. A germánium sa už vtedy považovalo za neperspektívny materiál. K žiadnemu prelomu nedošlo.

Do tejto doby Fairchild vyvinul planárnu kremíkovú technológiu. Vzhľadom na toto všetko musel Texas Instruments odložiť všetko, čo urobil Kilby, a začať bez Kilbyho vyvíjať sériu integrovaných obvodov založených na technológii planárneho kremíka. V októbri 1961 spoločnosť oznámila vytvorenie série integrovaných obvodov typu SN-51 a v roku 1962 začala ich sériovú výrobu a dodávky v záujme Ministerstva obrany USA a NASA.

IP od Roberta Noycea. Séria ISMikrologic”

V roku 1957 z viacerých dôvodov W. Shockley, vynálezca planárneho tranzistora, opustil skupinu ôsmich mladých inžinierov, ktorí sa chceli pokúsiť realizovať svoje vlastné nápady. „Osem zradcov“, ako ich nazval Shockley, ktorých lídrami boli R. Noyce a G. Moore, založili spoločnosť Fairchild Semiconductor („krásne dieťa“). Na čele spoločnosti stál Robert Noyce, mal vtedy 23 rokov.

Koncom roku 1958 fyzik D. Horney, ktorý pracoval v spoločnosti Fairchild Semiconductor, vyvinul planárnu technológiu výroby tranzistorov. A český fyzik Kurt Lehovec, ktorý pracoval v spoločnosti Sprague Electric, vyvinul techniku ​​​​na použitie reverzne zapojeného n-p prechodu na elektrickú izoláciu komponentov. V roku 1959 sa Robert Noyce, ktorý sa dopočul o návrhu Kilbyho integrovaného obvodu, rozhodol pokúsiť sa vytvoriť integrovaný obvod kombináciou procesov navrhnutých Horneym a Lehovcom. A namiesto „chlpatej technológie“ prepojení, Noyce navrhol selektívne nanášanie tenkej vrstvy kovu na vrchol polovodičových štruktúr izolovaných oxidom kremičitým s pripojením ku kontaktom prvkov cez otvory ponechané v izolačnej vrstve. To umožnilo „ponoriť“ aktívne prvky do tela polovodiča, izolovať ich oxidom kremičitým a následne tieto prvky spojiť s naprašovanými stopami hliníka alebo zlata, ktoré vznikajú procesmi fotolitografie, metalizácie a leptania. posledná fáza výroby produktu. Takto sa získala skutočne „monolitická“ verzia kombinovania komponentov do jedného obvodu a nová technológia sa nazývala „planárna“. Najprv však bolo potrebné vyskúšať tento nápad.

Ryža. 4. Experimentálna spúšť od R. Noycea. Fotografia zo stránky http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Ryža. 5. Fotografia Micrologic IC v časopise Life. Fotografia zo stránky http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

V auguste 1959 poveril R. Noyce Joy Last, aby vyvinula verziu integrovaného obvodu založenú na planárnej technológii. Najprv ako Kilby vyrobili prototyp spúšte na niekoľkých kremíkových kryštáloch, na ktorých boli vyrobené 4 tranzistory a 5 rezistorov. Potom, 26. mája 1960, bola vyrobená prvá jednočipová spúšť. Ak chcete izolovať prvky v ňom s opačná strana Kremíkový plátok bol vyleptaný s hlbokými drážkami vyplnenými epoxidovou živicou. 27. septembra 1960 bola vyrobená tretia verzia spúšte (obr. 4), v ktorej boli prvky izolované reverzne zapojeným p-n prechodom.

Dovtedy sa Fairchild Semiconductor zaoberal iba tranzistormi, nemal návrhárov obvodov na vytváranie polovodičových integrovaných obvodov. Preto bol ako návrhár obvodov pozvaný Robert Norman zo Sperry Gyroscope. Norman poznal odporovo-tranzistorovú logiku, ktorú si spoločnosť na jeho návrh vybrala ako základ pre svoju budúcu sériu integrovaných obvodov „Micrologic“, ktoré našli svoje prvé uplatnenie vo výbave rakety Minuteman. V marci 1961 Fairchild oznámil prvý experimentálny integrovaný obvod tejto série (F-klopný obvod obsahujúci šesť prvkov: štyri bipolárne tranzistory a dva odpory umiestnené na doske s priemerom 1 cm) s uverejnením svojej fotografie (obr. 5 ) v časopise Život(z 10. marca 1961). Ďalších 5 IP bolo oznámených v októbri. A od začiatku roku 1962 Fairchild spustil sériovú výrobu integrovaných obvodov a ich dodávky aj v záujme amerického ministerstva obrany a NASA.

Kilby a Noyce si museli vypočuť veľa kritiky na ich inovácie. Verilo sa, že praktický výťažok vhodných integrovaných obvodov by bol veľmi nízky. Je jasné, že by mala byť nižšia ako pri tranzistoroch (keďže obsahuje niekoľko tranzistorov), u ktorých vtedy nebola vyššia ako 15 %. Po druhé, mnohí verili, že v integrovaných obvodoch boli použité nevhodné materiály, pretože odpory a kondenzátory v tom čase neboli vyrobené z polovodičov. Po tretie, mnohí nemohli prijať myšlienku neopraviteľnosti IP. Zdalo sa im rúhaním vyhodiť produkt, v ktorom zlyhal iba jeden z mnohých prvkov. Všetky pochybnosti boli postupne zavrhnuté, keď sa integrované obvody úspešne použili v amerických vojenských a vesmírnych programoch.

Jeden zo zakladateľov Fairchild Semiconductor G. Moore sformuloval základný zákon vývoja kremíkovej mikroelektroniky, podľa ktorého sa počet tranzistorov v kryštáli integrovaného obvodu každoročne zdvojnásobil. Tento zákon, nazývaný „Mooreov zákon“, fungoval celkom jasne počas prvých 15 rokov (od roku 1959) a potom k tomuto zdvojnásobeniu došlo asi za rok a pol.

Ďalej sa priemysel duševného vlastníctva v Spojených štátoch začal rozvíjať rýchlym tempom. V Spojených štátoch sa začal lavínovitý proces vzniku podnikov orientovaných výlučne „na planár“, niekedy až do bodu, keď sa za týždeň zaregistrovalo tucet spoločností. V snahe o veteránov (firmy W. Shockleyho a R. Noycea), ako aj vďaka daňovým stimulom a službám poskytovaným Stanfordskou univerzitou sa „nováčikovia“ sústredili najmä v údolí Santa Clara (Kalifornia). Preto nie je prekvapujúce, že v roku 1971 sa ľahkou rukou novinára a popularizátora technických inovácií Dona Hoflera dostal do obehu romanticko-technologický obraz „Silicon Valley“, ktorý sa navždy stal synonymom Mekky polovodičovej technologickej revolúcie. Mimochodom, v tejto oblasti sa skutočne nachádza údolie, ktoré bolo predtým známe svojimi početnými marhuľovými, čerešňovými a slivkovými sadmi, ktoré pred objavením sa spoločnosti Shockley mali iné, príjemnejšie meno - Valley of Heart's Delight, teraz bohužiaľ , takmer zabudnutý.

V roku 1962 sa v USA rozbehla masová výroba integrovaných obvodov, hoci ich objem dodávok zákazníkom predstavoval len niekoľko tisíc. Najsilnejším stimulom pre rozvoj priemyslu výroby nástrojov a elektroniky na novom základe boli raketové a vesmírne technológie. Spojené štáty vtedy nemali také výkonné medzikontinentálne balistické rakety ako sovietske a v záujme zvýšenia náboja boli nútené minimalizovať hmotnosť nosiča, vrátane riadiacich systémov, zavedením najnovších pokrokov v elektronickej technológii. . Texas Instrument a Fairchild Semiconductor uzavreli veľké zmluvy na návrh a výrobu integrovaných obvodov s americkým ministerstvom obrany a NASA.

Prvé polovodičové integrované obvody v ZSSR

Koncom 50. rokov 20. storočia sovietsky priemysel tak zúfalo hľadal polovodičové diódy a tranzistory, že boli potrebné radikálne opatrenia. V roku 1959 boli založené továrne na polovodičové zariadenia v Aleksandrove, Brjansku, Voroneži, Rige atď. V januári 1961 Ústredný výbor CPSU a Rada ministrov ZSSR prijali ďalšiu rezolúciu „O rozvoji polovodičového priemyslu“, ktorá stanovila tzv. výstavba tovární a výskumných ústavov v Kyjeve, Minsku, Jerevane, Nalčiku a ďalších mestách.

Nás bude zaujímať jedna z nových fabrík - vyššie spomínaná Riga Semiconductor Devices Plant (RZPP, niekoľkokrát menila názvy, pre jednoduchosť používame tú najznámejšiu, ktorá funguje dodnes). Ako štartovacia rampa pre nový závod bola vyčlenená rozostavaná budova SOŠ o ploche 5300 m2 a zároveň sa začala výstavba špeciálnej budovy. Do februára 1960 už závod vytvoril 32 služieb, 11 laboratórií a pilotnú výrobu, ktorá sa začala v apríli pripravovať na výrobu prvých prístrojov. Závod už zamestnával 350 ľudí, z ktorých 260 bolo v priebehu roka poslaných študovať do Moskovského vedeckého výskumného inštitútu-35 (neskôr Pulsarský vedecký výskumný ústav) a závodu Leningrad Svetlana. A do konca roku 1960 dosiahol počet zamestnancov 1900 osôb. Spočiatku boli technologické linky umiestnené v prestavanej telocvični budovy družstevnej technickej školy a laboratóriá OKB boli umiestnené v bývalých učebniach. Závod vyrobil prvé zariadenia (zliatinovo-difúzne a konverzné germániové tranzistory P-401, P-403, P-601 a P-602 vyvinuté NII-35) 9 mesiacov po podpísaní objednávky na jeho vytvorenie, v marci 1960. A do konca júla vyrobil prvých tisíc tranzistorov P-401. Potom zvládol výrobu mnohých ďalších tranzistorov a diód. V júni 1961 bola dokončená výstavba špeciálnej budovy, v ktorej sa začala sériová výroba polovodičových zariadení.

Od roku 1961 sa v závode začali samostatné technologické a vývojové práce vrátane mechanizácie a automatizácie výroby tranzistorov na báze fotolitografie. Na tento účel bol vyvinutý prvý domáci fotoopakovač (fotoznámka) - inštalácia na kombinovanie a kontaktnú tlač fotografií (vyvinutý A.S. Gotmanom). Veľkú pomoc pri financovaní a výrobe unikátnych zariadení poskytli podniky ministerstva rádiového priemyslu vrátane KB-1 (neskôr NPO Almaz, Moskva) a NIIRE. V tom čase najaktívnejší vývojári malých rádiových zariadení, ktorí nemali vlastnú technologickú polovodičovú základňu, hľadali spôsoby, ako kreatívne interagovať s novovytvorenými polovodičovými továrňami.

V RZPP sa aktívne pracovalo na automatizácii výroby germániových tranzistorov typu P401 a P403 na základe výrobnej linky Ausma vytvorenej závodom. Jeho hlavný dizajnér (GC) A.S. Gottman navrhol vytvoriť prúdové cesty na povrchu germánia od elektród tranzistora k okraju kryštálu, aby sa uľahčilo zváranie vodičov tranzistora v kryte. Najdôležitejšie však je, že tieto stopy mohli byť použité ako externé terminály tranzistora, keď boli zmontované do dosiek (obsahujúcich spojovacie a pasívne prvky) bez obalu, pripájaním ich priamo k zodpovedajúcim kontaktným plôškam (v skutočnosti bola technológia na vytváranie hybridných integrovaných obvodov navrhované). Navrhovaná metóda, pri ktorej sa zdá, že prúdové dráhy kryštálu bozkávajú kontaktné podložky dosky, dostala pôvodný názov - „technológia bozkávania“. Ale kvôli množstvu technologických problémov, ktoré sa v tom čase ukázali ako neriešiteľné, najmä v súvislosti s problémami s presnosťou získavania kontaktov na doske plošných spojov, nebolo možné prakticky implementovať „technológiu bozku“. O niekoľko rokov neskôr bola podobná myšlienka implementovaná v USA a ZSSR a našla široké uplatnenie v takzvaných „guličkových vedeniach“ a v technológii „chip-to-board“.

Hardvérové ​​spoločnosti spolupracujúce s RZPP, vrátane NIIRE, však dúfali v „technológiu bozkov“ a plánovali jej použitie. Na jar 1962, keď bolo jasné, že jeho realizácia sa odkladá na neurčito, hlavný inžinier NIIRE V.I. Smirnov požiadal riaditeľa RZPP S.A. Bergmana nájsť iný spôsob implementácie viacprvkového obvodu 2NOR, univerzálneho pre stavbu digitálnych zariadení.

Ryža. 7. Ekvivalentný obvod IC R12-2 (1LB021). Čerpanie z prospektu IP z roku 1965.

Prvý IS a GIS od Jurija Osokina. Pevná schéma R12-2(séria IS 102 A 116 )

Riaditeľ RZPP poveril touto úlohou mladého inžiniera Jurija Valentinoviča Osokina. Zorganizovali sme oddelenie pozostávajúce z technologického laboratória, laboratória na vývoj a výrobu fotomasiek, meracieho laboratória a poloprevádzkovej výrobnej linky. V tom čase bola do RZPP dodaná technológia výroby germániových diód a tranzistorov, ktorá bola braná ako základ pre nový vývoj. A už na jeseň roku 1962 boli získané prvé prototypy germánového tuhého okruhu 2NOT-OR (keďže výraz IS vtedy ešte neexistoval, z úcty k vtedajším záležitostiam si ponecháme názov „tvrdý okruh“ - TS), ktorý dostal výrobné označenie „P12-2“. Zachovala sa reklamná brožúra z roku 1965 na P12-2 (obr. 6), informácie a ilustrácie, z ktorých budeme čerpať. TS R12-2 obsahoval dva germániové p - n - p -tranzistory (upravené tranzistory typu P401 a P403) so spoločnou záťažou v podobe distribuovaného germániového odporu typu p (obr. 7).

Ryža. 8. Štruktúra integrovaného obvodu R12-2. Čerpanie z prospektu IP z roku 1965.

Ryža. 9. Rozmerový výkres vozidla R12-2. Čerpanie z prospektu IP z roku 1965.

Vonkajšie vodiče sú vytvorené termokompresným zváraním medzi oblasťami germánia v štruktúre TC a zlatom vodičov vodičov. Tým je zabezpečená stabilná prevádzka obvodov pri vonkajších vplyvoch v podmienkach tropických a morských hml, čo je dôležité najmä pre prevádzku v námorných kvázi elektronických automatických telefónnych ústredniach vyrábaných závodom VEF v Rige, ktorý sa o tento vývoj tiež zaujímal.

Konštrukčne boli R12-2 TS (a následné R12-5) vyrobené vo forme „tablety“ (obr. 9) z okrúhleho kovového pohára s priemerom 3 mm a výškou 0,8 mm. V nej bol umiestnený kryštál TC a vyplnený polymérnou zlúčeninou, z ktorej vychádzali krátke vonkajšie konce vývodov z mäkkého zlatého drôtu s priemerom 50 mikrónov, privarené ku kryštálu. Hmotnosť P12-2 nepresiahla 25 mg. V tomto prevedení boli vozidlá odolné voči relatívnej vlhkosti 80 % pri teplote okolia 40 °C a voči cyklickým zmenám teploty od -60 °C do 60 °C.

Do konca roku 1962 sa v pilotnej výrobe RZPP vyrobilo asi 5 tisíc vozidiel R12-2 a v roku 1963 ich bolo vyrobených niekoľko desiatok tisíc. Rok 1962 sa tak stal rokom zrodu mikroelektronického priemyslu v USA a ZSSR.

Ryža. 10. Skupiny TS R12-2

Ryža. 11. Základné elektrické charakteristiky R12-2

Polovodičová technológia bola vtedy v plienkach a ešte nezaručovala striktnú opakovateľnosť parametrov. Preto boli prevádzkyschopné zariadenia zoradené do skupín parametrov (v našej dobe sa to často robí). Obyvatelia Rigy urobili to isté a nainštalovali 8 štandardných hodnotení vozidla R12-2 (obr. 10). Všetky ostatné elektrické a iné charakteristiky sú rovnaké pre všetky štandardné menovité hodnoty (obr. 11).

Výroba TS R12-2 sa začala súčasne s výskumom a vývojom „Tvrdosť“, ktorý skončil v roku 1964 (GK Yu.V. Osokin). V rámci tejto práce bola vyvinutá vylepšená skupinová technológia pre sériovú výrobu germánových vozidiel na báze fotolitografie a galvanického nanášania zliatin cez fotomasku. Jeho hlavné technické riešenia sú registrované ako vynález Yu.V. Osokina. a Mikhalovič D.L. (A.S. č. 36845). Niekoľko článkov od Yu.V. bolo publikovaných v utajovanom časopise Spetsradioelectronics. Osokina v spolupráci so špecialistami KB-1 I.V. Nič, G.G. Smolko a Yu.E. Naumova s ​​popisom konštrukcie a vlastností vozidla R12-2 (a následného vozidla R12-5).

Dizajn P12-2 bol dobrý vo všetkom, až na jednu vec – spotrebitelia nevedeli, ako používať také malé produkty s najtenšími vývodmi. Hardvérové ​​spoločnosti na to spravidla nemali technológiu ani vybavenie. Počas celého obdobia výroby R12-2 a R12-5 ich používanie ovládali NIIRE, Žigulevský rozhlasový závod Ministerstva rádiového priemyslu, VEF, NIIP (od roku 1978 NPO Radiopribor) a niekoľko ďalších podnikov. S pochopením problému vývojári TS spolu s NIIRE okamžite mysleli na druhú úroveň dizajnu, ktorá zároveň zvýšila hustotu usporiadania zariadení.

Ryža. 12. Modul 4 vozidiel R12-2

V roku 1963 bol v NIIRE v rámci projektových a vývojových prác Kvant (GK A.N. Pelipenko, za účasti E.M. Lyakhovicha) vyvinutý modulový návrh, ktorý kombinoval štyri vozidlá R12-2 (obr. 12). Dva až štyri R12-2 TC (v puzdre) boli umiestnené na mikrodoske vyrobenej z tenkého sklolaminátu, čo spoločne implementovalo určitú funkčná jednotka. Na dosku bolo nalisovaných až 17 pinov (počet sa líšil pre konkrétny modul) s dĺžkou 4 mm. Mikrodoska bola vložená do vyrazeného kovového pohára s rozmermi 21,6 ? 6,6 mm a 3,1 mm hlboké a vyplnené polymérnou zmesou. Výsledkom je hybridný integrovaný obvod (HIC) s dvojitým tesnením prvkov. A ako sme už povedali, bol to prvý GIS na svete s dvojúrovňovou integráciou a možno aj prvý GIS vo všeobecnosti. Bolo vyvinutých osem typov modulov so všeobecným názvom „Quantum“, ktoré vykonávali rôzne logické funkcie. V rámci takýchto modulov zostali vozidlá R12-2 prevádzkyschopné pri stálom zrýchlení do 150 g a zaťažení vibráciami vo frekvenčnom rozsahu 5–2000 Hz so zrýchlením do 15 g.

Moduly Kvant boli najprv vyrobené v pilotnej výrobe NIIRE a potom boli prevedené do Žigulevského rozhlasového závodu Ministerstva rádiového priemyslu ZSSR, ktorý ich dodal rôznym spotrebiteľom vrátane závodu VEF.

Moduly TS R12-2 a „Kvant“ založené na nich sa osvedčili a sú široko používané. V roku 1968 bola vydaná norma stanovujúca jednotný systém označovania integrovaných obvodov v krajine a v roku 1969 - Všeobecné technické špecifikácie pre polovodičové (NP0.073.004TU) a hybridné (NP0.073.003TU) integrované obvody s jednotný systém požiadavky. V súlade s týmito požiadavkami Ústredný úrad pre aplikáciu integrovaných obvodov (TsBPIMS, neskôr CDB Dayton, Zelenograd) 6. februára 1969 schválil pre vozidlo nové technické špecifikácie ShT3.369.001-1TU. Zároveň sa v označení produktu prvýkrát objavil pojem „integrovaný obvod“ radu 102. TS R12-2 sa začal nazývať IS: 1LB021V, 1LB021G, 1LB021Zh, 1LB021I. V skutočnosti išlo o jeden IC, zoradený do štyroch skupín podľa výstupného napätia a zaťažiteľnosti.

Ryža. 13. Integrované obvody radu 116 a 117

A 19. septembra 1970 TsBPIMS schválila technické špecifikácie AB0.308.014TU pre moduly Kvant, označené IS série 116 (obr. 13). Séria obsahovala deväť integrovaných obvodov: 1ХЛ161, 1ХЛ162 a 1ХЛ163 – multifunkčné digitálne obvody; 1LE161 a 1LE162 – dva a štyri logické prvky 2NOR; 1TP161 a 1TP1162 – jeden a dva spúšťače; 1UP161 – výkonový zosilňovač, rovnako ako 1LP161 – logický prvok"ban" na 4 vstupoch a 4 výstupoch. Každý z týchto integrovaných obvodov mal štyri až sedem možností dizajnu, ktoré sa líšili napätím výstupného signálu a zaťažiteľnosťou, celkovo pre 58 typov integrovaných obvodov. Dizajny boli označené písmenom za digitálnou časťou označenia IS, napríklad 1ХЛ161ж. Následne sa ponuka modulov rozšírila. IO série 116 boli skutočne hybridné, ale na žiadosť RZPP boli označené ako polovodičové (prvá číslica v označení je „1“, hybridné by mali mať „2“).

V roku 1972 spoločným rozhodnutím Ministerstva elektronického priemyslu a Ministerstva rádiového priemyslu bola výroba modulov prevedená z Žigulevského rozhlasového závodu do RZPP. To eliminovalo možnosť prepravy IC série 102 na veľké vzdialenosti, takže upustili od potreby zapečatiť matricu každého IC. Výsledkom bolo zjednodušenie konštrukcie integrovaných obvodov série 102 a 116: nebolo potrebné zabaliť integrované obvody série 102 do kovovej misky naplnenej zmesou. Nezabalené IO radu 102 v technologických kontajneroch boli dodané do susednej dielne na montáž IO radu 116, osadené priamo na ich mikrodoske a zatavené v kryte modulu.

V polovici 70. rokov 20. storočia bol vydaný nový štandard pre systém označovania IP. Potom napríklad IS 1LB021V dostal označenie 102LB1V.

Druhý IS a GIS od Jurija Osokina. Pevná schéma R12-5(séria IS 103 A 117 )

Začiatkom roku 1963, v dôsledku serióznej práce na vývoji vysokofrekvenčných n - p - n tranzistorov, tím Yu.V. Osokina nazbieral rozsiahle skúsenosti s prácou s p-vrstvami na originálnom n-germániovom plátku. Toto a prítomnosť všetkých potrebných technologických komponentov umožnili Osokinovi v roku 1963 začať s vývojom novej technológie a dizajnom rýchlejšej verzie vozidla. V roku 1964 bol na príkaz NIIRE ukončený vývoj vozidla R12-5 a modulov na ňom založených. Na základe jeho výsledkov bol v roku 1965 otvorený výskum a vývoj Palanga (GK Yu.V. Osokin, jeho zástupca - D.L. Mikhalovič, dokončený v roku 1966). Moduly založené na R12-5 boli vyvinuté v rámci rovnakého výskumno-vývojového projektu „Kvant“ ako moduly založené na R12-2. Súčasne s technickými špecifikáciami pre rad 102 a 116 boli vypracované technické špecifikácie ShT3.369.002-2TU pre IC radu 103 (R12-5) a AV0.308.016TU pre IC radu 117 (moduly založené na IC radu 103). schválené. Názvoslovie typov a štandardných klasifikácií TS R12-2, modulov na nich a IS radu 102 a 116 bolo zhodné s nomenklatúrou TS R12-5 a IS radu 103 a 117, v tomto poradí. Líšia sa iba rýchlosťou a technológiou výroby IC kryštálu. Typický čas oneskorenia šírenia pre sériu 117 bol 55 ns oproti 200 ns pre sériu 116.

Štrukturálne bol R12-5 TS štvorvrstvovou polovodičovou štruktúrou (obr. 14), kde substrát typu n a žiariče typu p + boli pripojené k spoločnej uzemňovacej zbernici. Hlavné technické riešenia na konštrukciu vozidla R12-5 sú registrované ako vynález Yu.V. Osokina, D.L. Mikhaloviča. Kaydalova Zh.A a Akmensa Ya.P. (A.S. č. 248847). Pri výrobe štvorvrstvovej štruktúry TC R12-5 bolo dôležitým know-how vytvorenie p-vrstvy typu n v pôvodnej germániovej platni. To sa dosiahlo difúziou zinku v zatavenej kremennej ampulke, kde sú platne umiestnené pri teplote asi 900 °C a zinok je umiestnený na druhom konci ampulky pri teplote asi 500 °C. štruktúry TS vo vytvorenej p-vrstve je podobná P12-2 TS. Nová technológia umožnila vyhnúť sa zložitému tvaru kryštálu TS. Doštičky s P12-5 sa zo zadnej strany zbrúsili na hrúbku asi 150 mikrónov, pričom sa zachovala časť pôvodného waferu a následne sa vryli do jednotlivých pravouhlých IC čipov.

Ryža. 14. Štruktúra kryštálu TS R12-5 z AS č. 248847. 1 a 2 – zem, 3 a 4 – vstupy, 5 – výstup, 6 – výkon

Po prvom pozitívne výsledky výroba experimentálnych vozidiel R12-5, na objednávku KB-1 bol otvorený výskumný projekt Mezon-2 zameraný na vytvorenie vozidla so štyrmi R12-5. V roku 1965 boli získané pracovné vzorky v plochom kovokeramickom puzdre. Ukázalo sa však, že výroba P12-5 je náročná, najmä kvôli ťažkostiam pri vytváraní zinkom dotovanej p-vrstvy na pôvodnom n-Ge plátku. Ukázalo sa, že výroba kryštálu je náročná na prácu, percento výťažku je nízke a náklady na vozidlo sú vysoké. Z rovnakých dôvodov sa R12-5 TC vyrábal v malých objemoch a nedokázal vytlačiť pomalší, no technologicky vyspelejší R12-2. A výskumný projekt Mezon-2 vôbec nepokračoval, a to aj kvôli problémom s prepojením.

V tom čase už Pulsar Research Institute a NIIME vykonávali rozsiahle práce na vývoji planárnej kremíkovej technológie, ktorá má oproti germániovej technológii množstvo výhod, z ktorých hlavnou je vyšší rozsah prevádzkových teplôt (+150°C pre kremík a +70°C pre germánium) a prítomnosť prírodného kremíka ochranný film Si02. A špecializácia RZPP sa preorientovala na vytváranie analógových integrovaných obvodov. Špecialisti RZPP preto považovali vývoj technológie germánia na výrobu IC za nevhodný. Pri výrobe tranzistorov a diód však germánium na nejaký čas nestratilo svoje postavenie. V oddelení Yu.V. Osokin, po roku 1966 boli vyvinuté a vyrobené germániové planárne nízkošumové mikrovlnné tranzistory RZPP GT329, GT341, GT 383 atď.. Ich tvorba bola ocenená Štátnou cenou Lotyšského ZSSR.

Aplikácia

Ryža. 15. Aritmetické zariadenie na moduloch s pevným obvodom. Fotografia z brožúry TS z roku 1965.

Ryža. 16. Porovnávacie rozmery ovládacieho zariadenia automatickej telefónnej ústredne, vyrobeného na relé a vozidle. Fotografia z brožúry TS z roku 1965.

Zákazníkmi a prvými spotrebiteľmi R12-2 TS a modulov boli tvorcovia špecifických systémov: počítač Gnome (obr. 15) pre palubný letecký systém Kupol (NIIRE, GK Lyakhovich E.M.) a námorné a civilné automatické telefónne ústredne. (rastlina VEF, GK Misulovin L.Ya.). Aktívne sa podieľal na všetkých etapách tvorby vozidiel R12-2, R12-5 a modulov na nich a KB-1, hlavným kurátorom tejto spolupráce z KB-1 bol N.A. Barkanov. Pomáhali s financovaním, výrobou zariadení a výskumom vozidiel a modulov v rôznych režimoch a prevádzkových podmienkach.

Moduly TS R12-2 a „Kvant“ založené na ňom boli prvými mikroobvodmi v krajine. A vo svete boli medzi prvými – až v USA začali Texas Instruments a Fairchild Semiconductor vyrábať svoje prvé polovodičové integrované obvody a v roku 1964 začala spoločnosť IBM vyrábať hrubovrstvové hybridné integrované obvody pre svoje počítače. V iných krajinách sa o IP ešte neuvažovalo. Preto boli integrované obvody pre verejnosť kuriozitou, efektívnosť ich použitia vyvolala výrazný dojem a bola hraná v reklame. Dochovaná brožúra o vozidle R12-2 z roku 1965 (na základe skutočných aplikácií) hovorí: „ Použitie polovodičových obvodov P12-2 v palubných výpočtových zariadeniach umožňuje 10- až 20-násobné zníženie hmotnosti a rozmerov týchto zariadení, zníženie spotreby energie a zvýšenie prevádzkovej spoľahlivosti. ... Použitie pevných obvodov P12-2 v riadiacich systémoch a prepínanie ciest prenosu informácií automatických telefónnych ústrední umožňuje približne 300-násobné zníženie objemu ovládacích zariadení, ako aj výrazné zníženie spotreby elektrickej energie (30-50 krát)“. Tieto tvrdenia ilustrovali fotografie aritmetického zariadenia počítača Gnome (obr. 15) a porovnanie reléového stojana ATS vyrábaného v tom čase závodom VEF s malým blokom na dlani dievčaťa (obr. 16) . Existovali ďalšie početné aplikácie prvých integrovaných obvodov Riga.

Výroba

Teraz je ťažké obnoviť úplný obraz o objemoch výroby IC radu 102 a 103 podľa rokov (dnes sa RZPP zmenil z veľkého závodu na malú výrobu a mnoho archívov sa stratilo). Ale podľa spomienok Yu.V. Osokin, v druhej polovici šesťdesiatych rokov minulého storočia, výroba predstavovala mnoho stoviek tisíc ročne, v sedemdesiatych rokoch - milióny. Podľa jeho dochovaných osobných poznámok bolo v roku 1985 vyrobených IO radu 102 - 4 100 000 ks, modulov radu 116 - 1 025 000 ks, IO radu 103 - 700 000 ks, modulov radu 1017 - 1017 modulov - r. .

Koncom roku 1989 Yu.V. Osokin, vtedajší generálny riaditeľ Združenia výroby Alpha, sa obrátil na vedenie Vojensko-priemyselnej komisie pri Rade ministrov ZSSR (VPK) so žiadosťou o vyradenie sérií 102, 103, 116 a 117 z výroby z dôvodu ich zastaranosť a vysoká pracovná náročnosť (za 25 rokov sa mikroelektronika ani zďaleka nerozbehla), dostali však kategorické odmietnutie. Podpredseda Vojensko-priemyselného komplexu V.L. Koblov mu povedal, že lietadlá lietajú spoľahlivo, výmena je vylúčená. Po rozpade ZSSR sa IC rady 102, 103, 116 a 117 vyrábali až do polovice 90. rokov, t.j. viac ako 30 rokov. Počítače Gnome sú stále nainštalované v navigačnej kabíne Il-76 a niektorých ďalších lietadiel. „Toto je superpočítač,“ naši piloti nie sú bezradní, keď ich zahraniční kolegovia prekvapia záujem o toto bezprecedentné zariadenie.

O prioritách

Napriek tomu, že J. Kilby a R. Noyce mali predchodcov, svetové spoločenstvo ich uznáva ako vynálezcov integrovaného obvodu.

R. Kilby a J. Noyce prostredníctvom svojich firiem podali prihlášky na patent na vynález integrovaného obvodu. Spoločnosť Texas Instruments požiadala o patent už skôr, vo februári 1959, a Fairchild tak urobil až v júli toho istého roku. Ale patent číslo 2981877 bol vydaný v apríli 1961 R. Noyceovi. J. Kilby zažaloval a až v júni 1964 získal svoj patent číslo 3138743. Potom nastala desaťročná vojna o priority, v dôsledku ktorej (v ojedinelom prípade) „vyhralo priateľstvo“. Nakoniec odvolací súd potvrdil Noyceov nárok na technologické prvenstvo, ale rozhodol, že za vytvorenie prvého funkčného mikroobvodu by sa mal pripísať J. Kilby. A Texas Instruments a Fairchild Semiconductor podpísali dohodu o technológiách krížových licencií.

V ZSSR patentovanie vynálezov neprinieslo autorom nič iné ako problémy, bezvýznamnú jednorazovú platbu a morálnu satisfakciu, takže veľa vynálezov nebolo vôbec zaregistrovaných. A Osokin sa tiež nikam neponáhľal. Ale pre podniky bol počet vynálezov jedným z ukazovateľov, takže sa museli stále registrovať. Preto Ju.Osokina a D.Michalovič dostali autorské osvedčenie ZSSR č.36845 na vynález vozidla R12-2 až 28.6.1966.

A J. Kilby sa v roku 2000 stal jedným z laureátov Nobelovej ceny za vynález IP. R. Noyce sa svetového uznania nedočkal, zomrel v roku 1990 a podľa predpisov sa Nobelova cena neudeľuje posmrtne. Čo v tomto prípade nie je úplne fér, keďže celá mikroelektronika išla cestou, ktorú začal R. Noyce. Noyceova autorita medzi odborníkmi bola taká vysoká, že dokonca dostal prezývku „starosta Silicon Valley“, keďže bol vtedy najpopulárnejším z vedcov pracujúcich v tej časti Kalifornie, ktorá dostala neoficiálne meno Silicon Valley (V. Shockley bol nazývaný „Mojžiš zo Silicon Valley“). Cesta J. Kilbyho („chlpaté“ germánium) sa však ukázala byť slepou uličkou a nezrealizovala sa ani v jeho spoločnosti. Ale život nie je vždy fér.

Nobelovu cenu dostali traja vedci. Polovicu z nich dostal 77-ročný Jack Kilby a druhú polovicu si rozdelili akademik Ruskej akadémie vied Zhores Alferov a profesor na Kalifornskej univerzite v Santa Barbare, nemecko-americký Herbert Kremer, za „ vývoj polovodičových heteroštruktúr používaných vo vysokorýchlostnej optoelektronike.

Pri hodnotení týchto prác odborníci poznamenali, že „integrované obvody sú, samozrejme, objavom storočia, ktorý mal hlboký vplyv na spoločnosť a svetovú ekonomiku“. Pre zabudnutého J. Kilbyho bola Nobelova cena prekvapením. V rozhovore pre magazín Europhysics News Priznal: " Vtedy som rozmýšľal len nad tým, čo by bolo dôležité pre rozvoj elektroniky z ekonomického hľadiska. Vtedy som však nechápal, že zníženie nákladov na elektronické produkty spôsobí lavínu rastu elektronických technológií.“.

A diela Yu.Osokina neoceňuje nielen Nobelov výbor. Zabúda sa na ne aj u nás, nie je chránená priorita krajiny pri vytváraní mikroelektroniky. A nepochybne bol.

V 50. rokoch 20. storočia sa vytvoril materiálový základ pre tvorbu viacprvkových produktov - integrovaných obvodov - v jednom monolitickom kryštáli alebo na jednom keramickom substráte. Preto nie je prekvapujúce, že takmer súčasne vznikla myšlienka IP nezávisle v mysliach mnohých odborníkov. A rýchlosť realizácie nového nápadu závisela od technologických možností autora a záujmu výrobcu, teda od prítomnosti prvého spotrebiteľa. V tomto smere sa Yu.Osokin ocitol v lepšej pozícii ako jeho americkí kolegovia. Kilby bol v TI nový, dokonca musel vedeniu firmy dokázať zásadnú možnosť realizácie monolitického okruhu vyhotovením jeho rozloženia. Úloha J. Kilbyho pri vytváraní IP v skutočnosti spočíva v prevýchove manažmentu TI a vyprovokovaní R. Noycea k aktívnej akcii s jeho rozložením. Kilbyho vynález sa nedostal do sériovej výroby. R. Noyce sa vo svojej mladej a ešte nie silnej firme pustil do vytvorenia novej planárnej technológie, ktorá sa skutočne stala základom pre následnú mikroelektroniku, ale autorovi hneď neustúpila. V súvislosti s vyššie uvedeným museli obaja aj ich firmy vynaložiť veľa úsilia a času na praktickú realizáciu svojich nápadov na stavbu sériovo vyrábaných integrovaných obvodov. Ich prvé vzorky zostali experimentálne, ale do masovej výroby sa dostali ďalšie mikroobvody, ktoré ani nevyvinuli. Na rozdiel od Kilbyho a Noycea, ktorí boli ďaleko od výroby, továrnik Yu. Osokin stavil na priemyselne vyvinuté polovodičové technológie RZPP a spotrebiteľov prvých vozidiel mal garantovaných v podobe iniciátora vývoja NIIRE a neďalekého závodu VEF. , ktorý pomáhal pri tejto práci. Z týchto dôvodov sa prvá verzia jeho vozidla okamžite dostala do experimentálnej výroby, ktorá plynulo prešla do sériovej výroby, ktorá nepretržite pokračovala viac ako 30 rokov. Yu Osokin (nepoznal túto konkurenciu) ich teda rýchlo dohonil, keďže začal vyvíjať TS neskôr ako Kilby a Noyce. Diela Yu.Osokina navyše nijako nesúvisia s dielami Američanov, čoho dôkazom je absolútna odlišnosť jeho vozidla a riešení v ňom implementovaných z mikroobvodov Kilby a Noyce. Texas Instruments (nie Kilbyho vynález), Fairchild a RZPP začali vyrábať svoje integrované obvody takmer súčasne, v roku 1962. To dáva plné právo považovať Yu.Osokina za jedného z vynálezcov integrovaného obvodu na rovnakej úrovni ako R. Noyce a viac ako J. Kilby, a bolo by spravodlivé zdieľať časť Nobelovej ceny pre J. Kilbyho s Yu. Osokin. Pokiaľ ide o vynájdenie prvého GIS s dvojúrovňovou integráciou (a možno GIS všeobecne), tu priorita A. Pelipenko z NIIRE je absolútne nespochybniteľný.

Žiaľ, nepodarilo sa nájsť vzorky vozidiel a na nich založených zariadení, potrebných pre múzeá. Autor by bol za takéto ukážky či fotografie z nich veľmi vďačný.

Integrovaný obvod (IC, microcircuit), čip, mikročip (angl. microchip, silicon chip, chip - tenká platňa - pôvodne termín označovaný ako platňa kryštálu mikroobvodu) - mikroelektronické zariadenie - elektronický obvod s ľubovoľnou zložitosťou (kryštál), vyrobený na polovodičovom substráte (platnička alebo film) a umiestnený v neoddeliteľnom puzdre alebo bez neho, ak je súčasťou mikrozostavy.

Mikroelektronika je najvýznamnejším a ako mnohí veria, najdôležitejším vedeckým a technickým úspechom našej doby. Možno ho porovnať s takými prelomovými obdobiami v dejinách techniky, ako bol vynález tlače v 16. storočí, vytvorenie parného stroja v 18. storočí a rozvoj elektrotechniky v 19. storočí. A keď dnes hovoríme o vedecko-technickej revolúcii, máme na mysli predovšetkým mikroelektroniku. Ako žiadny iný technický výdobytok našich dní preniká do všetkých sfér života a robí realitou to, čo bolo ešte včera jednoducho nepredstaviteľné. Aby sme sa o tom presvedčili, stačí si spomenúť na vreckové kalkulačky, miniatúrne rádiá, elektronické ovládacie zariadenia v domácich spotrebičoch, hodinky, počítače a programovateľné počítače. A to je len malá časť oblasti jeho použitia!

Mikroelektronika vďačí za svoj vznik a samotnú existenciu vytvoreniu nového subminiatúrneho elektronického prvku – integrovaného obvodu. Vzhľad týchto obvodov v skutočnosti nebol nejakým zásadne novým vynálezom - priamo vyplýval z logiky vývoja polovodičových zariadení. Najprv, keď sa polovodičové prvky práve začali používať, každý tranzistor, rezistor alebo dióda sa používali samostatne, to znamená, že boli uzavreté vo vlastnom individuálnom puzdre a zahrnuté do obvodu pomocou svojich individuálnych kontaktov. Robilo sa to aj v prípadoch, keď bolo potrebné zostaviť veľa podobných obvodov z rovnakých prvkov.

Postupne prišlo pochopenie, že je racionálnejšie takéto zariadenia neskladať z jednotlivých prvkov, ale okamžite ich vyrábať na jednom spoločnom kryštáli, najmä preto, že polovodičová elektronika na to vytvorila všetky predpoklady. V skutočnosti sú všetky polovodičové prvky svojou štruktúrou navzájom veľmi podobné, majú rovnaký princíp činnosti a líšia sa iba relatívnou polohou oblastí p-n.

Títo p-n regióny, ako si pamätáme, vznikajú zavedením nečistôt rovnakého typu do povrchovej vrstvy polovodičového kryštálu. Spoľahlivá a zo všetkých hľadísk uspokojivá prevádzka veľkej väčšiny polovodičových prvkov je navyše zabezpečená hrúbkou povrchovej pracovnej vrstvy v tisícinách milimetra. Najmenšie tranzistory zvyčajne využívajú iba vrchnú vrstvu polovodičového čipu, ktorá tvorí iba 1 % jeho hrúbky. Zvyšných 99% funguje ako nosič alebo substrát, pretože bez substrátu by sa tranzistor mohol jednoducho zrútiť pri najmenšom dotyku. Vďaka použitej technológii výroby jednotlivých elektronických súčiastok je teda možné okamžite vytvoriť ucelený obvod niekoľkých desiatok, stoviek, ba až tisícov takýchto súčiastok na jednom čipe.

Výhody z toho budú obrovské. Po prvé, náklady sa okamžite znížia (náklady na mikroobvod sú zvyčajne stokrát nižšie ako celkové náklady na všetky elektronické prvky jeho komponentov). Po druhé, takéto zariadenie bude oveľa spoľahlivejšie (ako ukazuje skúsenosť, tisíckrát a desaťtisíckrát), a to má obrovský význam, pretože nájdenie chyby v obvode pozostávajúcom z desiatok alebo stoviek tisíc elektronických komponentov sa zmení na mimoriadne zložitý problém. Po tretie, vzhľadom na skutočnosť, že všetky elektronické prvky integrovaného obvodu sú stovky a tisíckrát menšie ako ich náprotivky v bežnom obvode, ich spotreba energie je oveľa nižšia a ich výkon je oveľa vyšší.

Kľúčovou udalosťou, ktorá predznamenala príchod integrácie v elektronike, bol návrh amerického inžiniera J. Kilbyho z Texas Instruments získať ekvivalentné prvky pre celý obvod, ako sú registre, kondenzátory, tranzistory a diódy, v monolitickom kuse čistého kremíka. . Kilby vytvoril prvý integrovaný polovodičový obvod v lete 1958. A už v roku 1961 spoločnosť Fairchild Semiconductor Corporation vydala prvé sériové čipy pre počítače: koincidenčný obvod, polovičný posuvný register a spúšť. V tom istom roku sa integrovala výroba polovodičov logické obvody ovládaná texaskou spoločnosťou.

Nasledujúci rok sa objavili integrované obvody od iných spoločností. IN krátky čas v integrálnom dizajne boli vytvorené Rôzne druhy zosilňovače. V roku 1962 RCA vyvinula integrované čipy pamäťovej matrice pre počítačové úložné zariadenia. Postupne sa vo všetkých krajinách etablovala výroba mikroobvodov – začala sa éra mikroelektroniky.

Východiskovým materiálom pre integrovaný obvod je zvyčajne surový plátok čistého kremíka. Má pomerne veľkú veľkosť, pretože sa na ňom súčasne vyrába niekoľko stoviek rovnakých mikroobvodov. Prvá operácia spočíva v tom, že pod vplyvom kyslíka pri teplote 1000 stupňov sa na povrchu tejto platne vytvorí vrstva oxidu kremičitého. Oxid kremičitý sa vyznačuje veľkou chemickou a mechanickou odolnosťou a má vlastnosti vynikajúceho dielektrika, ktoré poskytuje spoľahlivú izoláciu kremíku umiestnenému pod ním.

Ďalším krokom je zavedenie nečistôt na vytvorenie p alebo n vodivých pásov. Za týmto účelom sa oxidový film odstráni z tých miest na doske, ktoré zodpovedajú jednotlivým elektronickým komponentom. Výber požadovaných oblastí prebieha pomocou procesu nazývaného fotolitografia. Najprv sa celá vrstva oxidu potiahne fotocitlivou zlúčeninou (fotorezistom), ktorá plní úlohu fotografického filmu – možno ho exponovať a vyvolať. Potom sa pomocou špeciálnej fotomasky obsahujúcej vzor povrchu polovodičového kryštálu doska osvetlí ultrafialovými lúčmi.

Vplyvom svetla sa na vrstve oxidu vytvorí plochý obrazec, pričom neexponované miesta zostanú svetlé a všetky ostatné stmavnú. V mieste, kde je fotorezistor vystavený svetlu, vznikajú nerozpustné oblasti fólie, ktoré sú odolné voči kyselinám. Potom sa plátok ošetrí rozpúšťadlom, ktoré odstráni fotorezist z exponovaných oblastí. Z exponovaných oblastí (a len z nich) sa vrstva oxidu kremičitého odleptá pomocou kyseliny.

Výsledkom je, že oxid kremičitý sa rozpúšťa na správnych miestach a otvárajú sa „okná“ čistého kremíka, pripravené na vnesenie nečistôt (ligácia). Aby sa to dosiahlo, povrch substrátu pri teplote 900-1200 stupňov je vystavený požadovanej nečistote, napríklad fosforu alebo arzénu, aby sa získala vodivosť typu n. Atómy nečistôt prenikajú hlboko do čistého kremíka, ale sú odpudzované jeho oxidom. Po ošetrení plátku jedným typom nečistôt je pripravený na ligáciu s iným typom - povrch plátku je opäť pokrytý vrstvou oxidu, vykonáva sa nová fotolitografia a leptanie, v dôsledku čoho vznikajú nové „okná“ kremíka sú otvorené.

Potom nasleduje nová ligácia, napríklad bórom, aby sa získala vodivosť typu p. Oblasti p a n sú teda vytvorené na celom povrchu kryštálu na správnych miestach. Izolácia medzi jednotlivými prvkami môže byť vytvorená niekoľkými spôsobmi: ako taká izolácia môže slúžiť vrstva oxidu kremičitého alebo môžu byť vytvorené aj blokovacie p-n prechody na správnych miestach.

Ďalšia etapa spracovania je spojená s aplikáciou vodivých spojení (vodivých vedení) medzi prvkami integrovaného obvodu, ako aj medzi týmito prvkami a kontaktmi na pripojenie vonkajších obvodov. Na tento účel sa na substrát nastrieka tenká vrstva hliníka, ktorá sa usadí vo forme tenkého filmu. Je podrobený fotolitografickému spracovaniu a leptaniu podobným tým, ktoré sú opísané vyššie. Výsledkom je, že z celej kovovej vrstvy zostávajú len tenké vodivé čiary a kontaktné plôšky.

Nakoniec sa celý povrch polovodičového čipu pokryje ochrannou vrstvou (najčastejšie silikátové sklo), ktorá sa následne odstráni z kontaktných plôšok. Všetky vyrábané mikroobvody sú podrobené najprísnejšiemu testovaniu na kontrolnej a skúšobnej stolici. Chybné obvody sú označené červenou bodkou. Nakoniec je kryštál narezaný na jednotlivé čipové dosky, z ktorých každá je uzavretá v odolnom puzdre s vývodmi na pripojenie k externým obvodom.

Zložitosť integrovaného obvodu charakterizuje ukazovateľ nazývaný stupeň integrácie. Integrované obvody s viac ako 100 prvkami sa nazývajú nízkointegračné obvody; obvody obsahujúce do 1000 prvkov - integrované obvody so stredným stupňom integrácie; obvody obsahujúce až desaťtisíce prvkov sa nazývajú veľké integrované obvody. Obvody obsahujúce až milión prvkov sa už vyrábajú (nazývajú sa ultraveľké). Postupný nárast integrácie viedol k tomu, že schémy sa každým rokom stávajú miniatúrnejšie, a teda čoraz zložitejšie.

Veľké množstvo elektronické zariadenia, ktorý mal predtým veľké rozmery, sa teraz zmestí na malý kremíkový plátok. Mimoriadne dôležitou udalosťou na tejto ceste bolo v roku 1971 vytvorenie jediného integrovaného obvodu na vykonávanie aritmetických a logických operácií americkou spoločnosťou Intel - mikroprocesora. To znamenalo grandiózny prielom mikroelektroniky do oblasti výpočtovej techniky.

Čítaj a píš užitočné