Prvo integrirano vezje. Zgodovina izuma integriranega vezja. zmanjšanje stroškov opreme

Uvod

Od pojava prvih računalnikov so razvijalci programske opreme sanjali o strojni opremi, zasnovani tako, da bi rešila natanko njihov problem. Zato se že kar nekaj časa pojavlja ideja o izdelavi posebnih integriranih vezij, ki jih je mogoče prilagoditi za učinkovito opravljanje določene naloge. Tu obstajata dve razvojni poti:

• Uporaba tako imenovanih specializiranih integriranih vezij po meri (ASIC – Application Specific Integrated Circuit). Kot že ime pove, takšne čipe izdelujejo proizvajalci strojna oprema po meri za učinkovito opravljanje določene naloge ali niza nalog. Nimajo vsestranskosti običajnih mikrovezij, vendar naloge, ki so jim dodeljene, rešujejo večkrat hitreje, včasih po naročilih velikosti.
• Izdelava mikrovezij z rekonfigurabilno arhitekturo. Ideja je, da taki čipi pridejo do razvijalca ali uporabnika programske opreme v neprogramiranem stanju, na njih pa lahko implementira arhitekturo, ki mu najbolj ustreza. Oglejmo si podrobneje njihov proces nastajanja.

Sčasoma se je pojavilo veliko število različnih čipov z rekonfigurabilno arhitekturo (slika 1).

Slika 1 Raznolikost čipov z rekonfigurabilno arhitekturo

Dolgo časa so na trgu obstajale samo naprave PLD (Programmable Logic Device). Ta razred vključuje naprave, ki izvajajo funkcije, potrebne za reševanje dodeljenih problemov v obliki popolnega disjunktiva normalna oblika(popoln DNF). Prvi, ki so se leta 1970 pojavili, so bili EEPROM čipi, ki sodijo prav v razred PLD naprav. Vsako vezje je imelo fiksno matriko logičnih funkcij IN, povezanih z programirljivim nizom logičnih funkcij ALI. Na primer, razmislite o PROM s 3 vhodi (a, b in c) in 3 izhodi (w, x in y) (slika 2).

riž. 2. PROM čip

Z uporabo preddefiniranega polja IN so implementirane vse možne konjunkcije nad vhodnimi spremenljivkami, ki jih je nato mogoče poljubno kombinirati z elementi ALI. Tako lahko na izhodu implementirate katero koli funkcijo treh spremenljivk v obliki popolnega DNF. Na primer, če programirate tiste elemente ALI, ki so na sliki 2 obkroženi z rdečo, bodo izhodi ustvarili funkcije w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Sprva so bili čipi PROM namenjeni shranjevanju programskih navodil in stalnih vrednosti, t.j. za izvajanje funkcij računalniškega pomnilnika. Vendar jih razvijalci uporabljajo tudi za izvajanje preprostih logičnih funkcij. Pravzaprav se PROM čipa lahko uporablja za implementacijo katerega koli logičnega bloka, pod pogojem, da ima majhno število vhodov. Ta pogoj izhaja iz dejstva, da je v mikrovezjih EEPROM matrika elementov IN strogo določena - v njej so implementirane vse možne konjunkcije iz vhodov, to je, da je število elementov IN enako 2 * 2 n, kjer je n število vhodov. Jasno je, da z naraščanjem števila n velikost niza zelo hitro raste.

Nato so se leta 1975 pojavila tako imenovana programabilna logična polja (PLM). So nadaljevanje ideje o PROM mikrovezjih - PLM so sestavljeni tudi iz nizov IN in ALI, vendar sta za razliko od PROM obe nizi programabilni. To zagotavlja večjo prilagodljivost za takšne čipe, vendar nikoli niso bili pogosti, ker signali potujejo veliko dlje skozi programabilne povezave kot prek njihovih vnaprej določenih dvojnikov.

Da bi rešili problem hitrosti, ki je neločljivo povezan s PLM-ji, se je v poznih 1970-ih pojavil nadaljnji razred naprav, imenovan programabilna matrična logika (PAL). Nadaljnji razvoj ideje o čipih PAL je bil pojav naprav GAL (Generic Array Logic) - bolj zapletene različice PAL, ki uporabljajo tranzistorje CMOS. Ideja, uporabljena tukaj, je ravno nasprotna ideji čipov PROM - programabilno polje elementov IN je povezano z vnaprej določenim nizom elementov ALI (slika 3).

riž. 3. Neprogramirana naprava PAL

To nalaga omejitev funkcionalnosti, vendar pa takšne naprave zahtevajo bistveno manjša polja kot v čipih EPROM.

Logično nadaljevanje enostavnih PLD-jev je bil nastanek tako imenovanih kompleksnih PLD-jev, sestavljenih iz več blokov enostavnih PLD-jev (navadno se kot preprosti PLD-ji uporabljajo naprave PAL), ki jih združuje programabilna preklopna matrika. Poleg samih blokov PLD je bilo s pomočjo te preklopne matrike možno programirati tudi povezave med njimi. Prvi kompleksni PLD so se pojavili v poznih 70. in zgodnjih 80. letih 20. stoletja, vendar se je glavni razvoj tega področja zgodil leta 1984, ko je Altera predstavila kompleksen PLD, ki temelji na kombinaciji tehnologij CMOS in EPROM.

Pojav FPGA

V začetku osemdesetih let prejšnjega stoletja se je v digitalnem okolju ASIC pojavila vrzel med glavnimi vrstami naprav. Na eni strani so bili PLD-ji, ki jih je mogoče programirati za vsako posamezno nalogo in jih je precej enostavno izdelati, vendar jih ni mogoče uporabiti za izvajanje kompleksnih funkcij. Na drugi strani pa obstajajo ASIC-ji, ki lahko izvajajo izjemno kompleksne funkcije, vendar imajo togo fiksno arhitekturo in so zamudni in dragi za izdelavo. Potreben je bil vmesni člen in naprave FPGA (Field Programmable Gate Arrays) so postale takšen člen.

FPGA so, tako kot PLD, programabilne naprave. Glavna temeljna razlika med FPGA in PLD je, da se funkcije v FPGA izvajajo ne z uporabo DNF, temveč z uporabo programabilnih iskalnih tabel (LUT). V teh tabelah so vrednosti funkcij določene z uporabo tabele resnic, iz katere je zahtevani rezultat izbran z uporabo multiplekserja (slika 4):

riž. 4. Korespondenčna tabela

Vsaka naprava FPGA je sestavljena iz programabilnih logičnih blokov (Configurable Logic Blocks – CLB), ki so med seboj povezani s povezavami, ki so prav tako programabilne. Vsak tak blok je namenjen programiranju določene funkcije ali njenega dela, vendar se lahko uporablja za druge namene, na primer kot pomnilnik.

V prvih napravah FPGA, razvitih sredi 80-ih, je bil logični blok zelo preprost in je vseboval en 3-vhodni LUT, en flip-flop in majhno število pomožnih elementov. Sodobne naprave FPGA so veliko bolj zapletene: vsak blok CLB je sestavljen iz 1-4 "rezin", od katerih vsaka vsebuje več tabel LUT (običajno 6-vhodnih), več sprožilcev in veliko število servisnih elementov. Tukaj je primer sodobne "rezine":

riž. 5. Naprava sodobnega "reza"

Zaključek

Ker naprave PLD ne morejo izvajati kompleksnih funkcij, se še naprej uporabljajo za izvajanje preprostih funkcij prenosne naprave in komunikacije, medtem ko naprave FPGA obsegajo od 1000 velikosti vrat (prvi FPGA, razvit leta 1985) ta trenutek presegel mejo 10 milijonov vrat (družina Virtex-6). Aktivno se razvijajo in že nadomeščajo čipe ASIC, kar omogoča izvajanje različnih izjemno kompleksnih funkcij, ne da bi pri tem izgubili možnost reprogramiranja.

Izvedba teh predlogov v tistih letih ni mogla potekati zaradi nezadostnega razvoja tehnologije.

Konec leta 1958 in v prvi polovici leta 1959 se je zgodil preboj v industriji polprevodnikov. Trije moški, predstavniki treh zasebnih ameriških korporacij, so rešili tri temeljne probleme, ki so preprečevali ustvarjanje integriranih vezij. Jack Kilby iz Texas Instruments patentiral princip kombinacije, ustvaril prve, nepopolne, prototipe IP in jih prinesel v množično proizvodnjo. Kurt Lehovec iz Sprague Electric Company izumil metodo za električno izolacijo komponent, oblikovanih na enem polprevodniškem čipu (izolacija p-n spoja). Izolacija spoja P–n)). Robert Noyce iz Fairchild Semiconductor izumil način električni priključek IC komponente (metalizacija aluminija) in predlagal izboljšano različico izolacije komponent na podlagi najnovejše planarne tehnologije Jeana Hernija. Jean Hoerni). 27. septembra 1960 skupina Jaya Lasta Jay Last) ustvarjen dne Fairchild Semiconductor prvi delujoč polprevodnik IP temelji na idejah Noycea in Ernieja. Texas Instruments, ki je imel v lasti patent za Kilbyjev izum, sprožil proti konkurentom patentna vojna, ki se je končal leta 1966 s svetovnim sporazumom o tehnologijah navzkrižnega licenciranja.

Zgodnji logični IC-ji omenjene serije so bili dobesedno zgrajeni iz standard komponente, katerih velikosti in konfiguracije so bile določene tehnološki proces. Oblikovalci vezij, ki so oblikovali logične IC-je določene družine, so delovali z enakimi standardnimi diodami in tranzistorji. V letih 1961-1962 vodilni razvijalec je zlomil oblikovalsko paradigmo Sylvania Tom Longo, prvič uporablja različne IC-je v enem konfiguracije tranzistorjev glede na njihove funkcije v vezju. Konec leta 1962 Sylvania lansirali prvo družino tranzistor-tranzistorske logike (TTL), ki jo je razvil Longo - zgodovinsko prvo vrsto integrirane logike, ki se ji je uspelo dolgoročno uveljaviti na trgu. V analognem vezju je v letih 1964-1965 preboj na tej ravni naredil razvijalec operacijskih ojačevalnikov Fairchild Bob Widlar.

Prvo domače mikrovezje je bilo ustvarjeno leta 1961 v TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) pod vodstvom L. N. Kolesova. Ta dogodek je pritegnil pozornost znanstvene skupnosti v državi in ​​TRTI je bil odobren kot vodilni v sistemu Ministrstva za visoko šolstvo na področju ustvarjanja visoko zanesljive mikroelektronske opreme in avtomatizacije njene proizvodnje. L. N. Kolesov je bil sam imenovan za predsednika koordinacijskega sveta za to težavo.

Prvi hibridni debeli film v ZSSR integrirano vezje(serija 201 "Trail") je bila razvita v letih 1963-65 na Raziskovalnem inštitutu za natančno tehnologijo ("Angstrem"), množična proizvodnja od leta 1965. Pri razvoju so sodelovali strokovnjaki iz NIEM (zdaj Argon Research Institute).

Prvo polprevodniško integrirano vezje v ZSSR je bilo ustvarjeno na podlagi planarne tehnologije, ki jo je v začetku leta 1960 v NII-35 (takrat preimenovan v Pulsar Research Institute) razvila ekipa, ki je bila kasneje prenesena na NIIME (Mikron). Ustvarjanje prvega domačega silicijevega integriranega vezja je bilo osredotočeno na razvoj in proizvodnjo z vojaškim sprejemom serije integriranih silicijevih vezij TS-100 (37 elementov - enakovredno kompleksnosti vezja flip-flopa, analognega ameriškemu serija IC S.N.-51 podjetij Texas Instruments). Prototipni vzorci in proizvodni vzorci silicijevih integriranih vezij za reprodukcijo so bili pridobljeni iz ZDA. Delo je bilo opravljeno v NII-35 (direktor Trutko) in Fryazino Semiconductor Plant (direktor Kolmogorov) za obrambno naročilo za uporabo v avtonomnem višinomeru za sistem za vodenje balističnih raket. Razvoj je vključeval šest standardnih integriranih silicijevih ravninskih vezij serije TS-100 in je z organizacijo pilotne proizvodnje trajal tri leta na NII-35 (od 1962 do 1965). Za razvoj tovarniške proizvodnje z vojaškim sprejemom v Fryazinu (1967) sta potrebovali še dve leti.

Vzporedno je delo na razvoju integriranega vezja potekalo v osrednjem oblikovalskem biroju v tovarni polprevodniških naprav Voronež (zdaj -). Leta 1965 je med obiskom ministra za elektronsko industrijo A.I. Shokina v VZPP tovarni bilo naloženo, da izvede raziskovalno delo pri ustvarjanju silicijevega monolitnega vezja - R&D "Titan" (odredba ministrstva št. 92 z dne 16. 1965), ki je bil dokončan pred rokom in dokončan do konca leta. Tema je bila uspešno predložena Državni komisiji in serija 104 diodno-tranzistorskih logičnih mikrovezij je postala prvi fiksni dosežek na področju polprevodniške mikroelektronike, kar se odraža v odredbi Evropskega parlamenta št. 403 z dne 30. decembra 1965.

Ravni oblikovanja

Trenutno (2014) je večina integriranih vezij zasnovana s pomočjo specializiranih sistemov CAD, ki omogočajo avtomatizacijo in znatno pospešitev proizvodnih procesov, na primer pridobivanje topoloških fotomask.

Razvrstitev

Stopnja integracije

Glede na stopnjo integracije se uporabljajo naslednja imena integriranih vezij:

• majhno integrirano vezje (MIS) - do 100 elementov na čip,
• srednje integrirano vezje (SIS) - do 1000 elementov na čip,
• veliko integrirano vezje (LSI) - do 10 tisoč elementov na čip,
• ultra veliko integrirano vezje (VLSI) - več kot 10 tisoč elementov v kristalu.

Prej so se uporabljala tudi zastarela imena: ultra-veliko integrirano vezje (ULSI) - od 1-10 milijonov do 1 milijarde elementov v kristalu in včasih giga-veliko integrirano vezje (GBIC) - več kot 1 milijarde elementov v kristalu. Trenutno se v 2010-ih imeni "UBIS" in "GBIS" praktično ne uporabljata, vsa mikrovezja z več kot 10 tisoč elementi pa so razvrščena kot VLSI.

Tehnologija izdelave

Hibridni mikrosklop STK403-090, odstranjen iz ohišja

• Polprevodniški čip - vsi elementi in medelementne povezave so narejeni na enem polprevodniškem kristalu (na primer silicij, germanij, galijev arzenid).

• Filmsko integrirano vezje - vsi elementi in medelementne povezave so izdelani v obliki filmov:
  • debeloslojno integrirano vezje;
  • tankoplastno integrirano vezje.
• Hibridni čip (pogosto imenovan mikrosklop), vsebuje več diod, tranzistorjev in/ali drugih elektronskih aktivnih komponent. Mikrosklop lahko vključuje tudi nepakirana integrirana vezja. Komponente pasivnih mikrosklopov (upori, kondenzatorji, induktorji) so običajno izdelane s tankoslojnimi ali debeloslojnimi tehnologijami na običajnem, običajno keramičnem, hibridnem substratu čipa. Celoten substrat s komponentami je nameščen v enem samem zaprtem ohišju.
• Mešano mikrovezje - poleg polprevodniškega kristala vsebuje tankoplastne (debeloplastne) pasivne elemente, ki se nahajajo na površini kristala.

Vrsta obdelanega signala

• Analogno-digitalni.

Tehnologije izdelave

Vrste logike

Glavni element analognih mikrovezij so tranzistorji (bipolarni ali poljski). Razlika v tehnologiji izdelave tranzistorjev bistveno vpliva na značilnosti mikrovezij. Zato je tehnologija izdelave pogosto navedena v opisu mikrovezja, da se poudari splošne značilnosti lastnosti in zmogljivosti mikrovezja. IN sodobne tehnologije združiti bipolarno in tranzistorji z učinkom polja doseči izboljšano delovanje mikrovezij.

• Mikrovezja, ki temeljijo na unipolarnih (poljskih) tranzistorjih, so najbolj ekonomična (glede trenutne porabe):
  • MOS logika (metal-oxide-semiconductor logic) - mikrovezja so sestavljena iz poljskih tranzistorjev n-MOS oz str-vrsta MOS;
  • CMOS logika (komplementarna MOS logika) - vsak logični element Mikrovezje je sestavljeno iz para komplementarnih (komplementarnih) tranzistorjev z učinkom polja ( n-MOS in str-KRPA).
• Mikrovezja na osnovi bipolarnih tranzistorjev:
  • RTL - uporno-tranzistorska logika (zastarela, nadomeščena s TTL);
  • DTL - diodno-tranzistorska logika (zastarela, nadomeščena s TTL);
  • TTL - tranzistor-tranzistorska logika - mikrovezja so izdelana iz bipolarnih tranzistorjev z večemiterskimi tranzistorji na vhodu;
  • TTLSh - tranzistor-tranzistorska logika s Schottky diodami - izboljšan TTL, ki uporablja bipolarne tranzistorje s Schottkyjevim učinkom;
  • ECL - emitter-coupled logic - na bipolarnih tranzistorjih, katerih način delovanja je izbran tako, da ne preidejo v način nasičenja - kar bistveno poveča zmogljivost;
  • IIL - integralna logika vbrizgavanja.
• Mikrovezja, ki uporabljajo tranzistorje z učinkom polja in bipolarne tranzistorje:

Z uporabo iste vrste tranzistorjev je mogoče čipe ustvariti z različnimi metodologijami, kot sta statična ali dinamična.

Tehnologiji CMOS in TTL (TTLS) sta najpogostejši logični čipi. Kjer je treba varčevati s trenutno porabo, se uporablja tehnologija CMOS, kjer je pomembnejša hitrost in varčevanje pri porabi energije ni potrebno, se uporablja tehnologija TTL. Šibka točka mikrovezja CMOS je njihova občutljivost na statično elektriko - samo dotaknite se izhoda mikrovezja z roko in njegova celovitost ni več zagotovljena. Z razvojem tehnologij TTL in CMOS se parametri mikrovezij vse bolj približujejo in posledično je na primer serija mikrovezij 1564 izdelana po tehnologiji CMOS, funkcionalnost in umestitev v ohišje pa sta podobni tehnologiji TTL.

Mikrovezja, izdelana po tehnologiji ESL, so najhitrejša, a tudi najbolj energijsko potratna in so bila uporabljena v proizvodnji računalniška tehnologija v primerih, ko je bil najpomembnejši parameter hitrost izračuna. V ZSSR so bili najbolj produktivni računalniki tipa ES106x izdelani na mikrovezjih ESL. Danes se ta tehnologija redko uporablja.

Tehnološki proces

Pri izdelavi mikrovezij se uporablja metoda fotolitografije (projekcija, kontakt itd.), Pri kateri se vezje oblikuje na substratu (običajno siliciju), pridobljenem z rezanjem monokristalov silicija z diamantnimi ploščami na tanke rezine. Zaradi majhnih linearnih dimenzij elementov mikrovezja so za razsvetljavo opustili uporabo vidne svetlobe in celo bližnjega ultravijoličnega sevanja.

Naslednji procesorji so bili izdelani z uporabo UV svetlobe (ArF excimer laser, valovna dolžina 193 nm). V povprečju so vodilni v panogi vsaki 2 leti uvedli nove tehnološke procese po načrtu ITRS in podvojili število tranzistorjev na enoto površine: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), začela se je proizvodnja 14 nm. leta 2014, razvoj 10 nm procesov se pričakuje okoli leta 2018.

Leta 2015 so se pojavile ocene, da se bo uvajanje novih tehnoloških procesov upočasnilo.

Kontrola kakovosti

Za nadzor kakovosti integriranih vezij se pogosto uporabljajo tako imenovane testne strukture.

Namen

Integrirano vezje ima lahko celotno, ne glede na to, kako zapleteno je, funkcionalnost - do celotnega mikroračunalnika (enočipni mikroračunalnik).

Analogna vezja

Analogno integrirano (mikro)shema (AIS, CILJ) - integrirano vezje, katerega vhodni in izhodni signali se spreminjajo po zakonu zvezne funkcije (to je, da so analogni signali).

Laboratorijski prototip analognega IC je leta 1958 ustvaril Texas Instruments v ZDA. To je bil generator faznega premika. Leta 1962 se je pojavila prva serija analognih mikrovezij - SN52. Vseboval je nizkofrekvenčni ojačevalnik majhne moči, operacijski ojačevalnik in video ojačevalnik.

V ZSSR je bil do konca sedemdesetih let pridobljen širok izbor analognih integriranih vezij. Njihova uporaba je omogočila povečanje zanesljivosti naprav, poenostavitev nastavitve opreme in pogosto celo odpravo Vzdrževanje med delovanjem.

Spodaj je delni seznam naprav, katerih funkcije lahko izvajajo analogni IC-ji. Pogosto eno mikrovezje nadomesti več njih hkrati (na primer K174XA42 vsebuje vse komponente superheterodinskega radijskega sprejemnika FM).

• Filtri (vključno s piezoelektričnim učinkom).
• Analogni multiplikatorji.
• Analogni dušilniki in spremenljivi ojačevalniki.
• Stabilizatorji napajanja: stabilizatorji napetosti in toka.
• Stikalna krmilna mikrovezja napajanja.
• Pretvorniki signalov.
• Različni senzorji.

Analogna mikrovezja se uporabljajo v opremi za ojačevanje in reprodukcijo zvoka, videorekorderjih, televizorjih, komunikacijski opremi, merilnih instrumentih, analognih računalnikih itd.

V analognih računalnikih

• Operacijski ojačevalniki (LM101, μA741).

V napajalnikih

Čip stabilizatorja napetosti KR1170EN8

• Linearni stabilizatorji napetosti (KR1170EN12, LM317).
• Preklopni stabilizatorji napetosti (LM2596, LM2663).

V video kamerah in fotoaparatih

• CCD matrike (ICX404AL).
• CCD nizi (MLX90255BA).

V opremi za ojačitev in reprodukcijo zvoka

• Avdiofrekvenčni ojačevalniki moči (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Dvojni UMZCH za stereofonično opremo (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Različni regulatorji (K174UN10 - dvokanalni UMZCH z elektronsko nastavitvijo frekvenčnega odziva, K174UN12 - dvokanalni nadzor glasnosti in ravnovesja).

V merilnih instrumentih V radijskih oddajnih in sprejemnih napravah

• Detektorji AM signala (K175DA1).
• Detektorji FM signala (K174UR7).
• Mešalniki (K174PS1).
• Visokofrekvenčni ojačevalniki (K157ХА1).
• Vmesni frekvenčni ojačevalniki (K157ХА2, K171UR1).
• Radijski sprejemniki z enim čipom (K174ХА10).

Na televizorjih

• V radijskem kanalu (K174UR8 - ojačevalnik z AGC, IF detektor slike in zvoka, K174UR2 - IF ojačevalnik napetosti slike, sinhroni detektor, predojačevalnik video signal, sistem samodejnega nadzora ojačanja ključa).
• V kanalu kromatičnosti (K174AF5 - oblikovalec barvnih R-, G-, B-signalov, K174ХА8 - elektronsko stikalo, ojačevalnik-omejevalnik in demodulator barvnih informacijskih signalov).
• V enotah za skeniranje (K174GL1 - generator skeniranja okvirja).
• V preklopnih, sinhronizacijskih, korekcijskih in krmilnih vezjih (K174AF1 - selektor amplitudnega sinhronizacijskega signala, generator horizontalnih frekvenčnih impulzov, enota za avtomatsko nastavitev frekvence in faze signala, horizontalni glavni generator impulzov, K174UP1 - ojačevalnik svetlobnega signala, elektronski regulator nihanje izhodnega signala in raven črne).

Proizvodnja

Prehod na submikronske velikosti integralnih elementov zaplete načrtovanje AIMS. Na primer, tranzistorji MOS s kratko dolžino vrat imajo številne značilnosti, ki omejujejo njihovo uporabo v analognih blokih: visoka raven nizkofrekvenčnega hrupa utripanja; močno širjenje mejne napetosti in naklona, ​​kar vodi do pojava velike prednapetosti diferencialnih in operacijskih ojačevalnikov; nizka vrednost izhodne upornosti majhnega signala in ojačanje kaskad z aktivno obremenitvijo; nizka prebojna napetost p-n spojev in vrzeli med odvodom in izvorom, kar povzroči zmanjšanje napajalne napetosti in zmanjšanje dinamično območje.

Trenutno analogna mikrovezja proizvajajo številna podjetja: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments itd.

Digitalna vezja

Digitalno integrirano vezje(digitalno mikrovezje) je integrirano vezje, namenjeno pretvorbi in obdelavi signalov, ki se spreminjajo po zakonu diskretne funkcije.

Digitalna integrirana vezja temeljijo na tranzistorskih stikalih, ki so lahko v dveh stabilnih stanjih: odprtem in zaprtem. Uporaba tranzistorskih stikal omogoča izdelavo različnih logičnih, prožilnih in drugih integriranih vezij. Digitalna integrirana vezja se uporabljajo v napravah za diskretno obdelavo informacij elektronskih računalnikov (računalnikov), sistemov za avtomatizacijo itd.

• Medpomnilniški pretvorniki
• (Mikro)procesorji (vključno s CPE za računalnike)
• Čipi in pomnilniški moduli
• FPGA (programabilna logična integrirana vezja)

Digitalna integrirana vezja imajo številne prednosti pred analognimi:

• Zmanjšana poraba energije povezana z uporabo impulznih električnih signalov v digitalni elektroniki. Pri sprejemanju in pretvorbi takšnih signalov aktivni elementi elektronskih naprav (tranzistorji) delujejo v načinu "ključ", to pomeni, da je tranzistor "odprt" - kar ustreza signalu visoke ravni (1) ali "zaprt". ” - (0), v prvem primeru pri V tranzistorju ni padca napetosti, v drugem skozenj ne teče tok. V obeh primerih je poraba blizu 0, za razliko od analognih naprav, pri katerih so tranzistorji večino časa v vmesnem (aktivnem) stanju.
• Visoka odpornost proti hrupu digitalnih naprav je povezana z veliko razliko med signali visokega (na primer 2,5–5 V) in nizkega (0–0,5 V) nivoja. Napaka stanja je možna pri takšni stopnji motenj, da se visoka stopnja interpretira kot nizka in obratno, kar je malo verjetno. Poleg tega v digitalne naprave Za odpravo napak je mogoče uporabiti posebne kode.
• Velika razlika v nivojih stanj signala visoke in nizke ravni (logični "0" in "1") in precej širok razpon njihovih dovoljenih sprememb naredi digitalno tehnologijo neobčutljivo na neizogibno razpršitev parametrov elementov v integrirani tehnologiji, odpravlja potreba po izbiri komponent in konfiguraciji nastavitvenih elementov v digitalnih napravah.

Analogno-digitalna vezja

Analogno-digitalno integrirano vezje(analogno-digitalno mikrovezje) - integrirano vezje, zasnovano za pretvorbo signalov, ki se spreminjajo po zakonu diskretne funkcije, v signale, ki se spreminjajo po zakonu zvezne funkcije, in obratno.

Pogosto en čip opravlja funkcije več naprav hkrati (na primer ADC-ji z ​​zaporednim približevanjem vsebujejo DAC, tako da lahko izvajajo dvosmerne pretvorbe). Seznam naprav (nepopoln), katerih funkcije lahko opravljajo analogno-digitalni IC:

• digitalno-analogni (DAC) in analogno-digitalni pretvorniki (ADC);
• analogni multiplekserji (medtem ko so digitalni (de)multiplekserji povsem digitalni IC-ji, analogni multiplekserji vsebujejo digitalne logične elemente (običajno dekoder) in lahko vsebujejo analogno vezje);
• oddajniki-sprejemniki (na primer oddajnik-sprejemnik omrežnega vmesnika Ethernet);
• modulatorji in demodulatorji;
  • radijski modemi;
  • teletekst, VHF radijski sprejemniki besedila;
  • Fast Ethernet in sprejemniki za optične linije;
  • Poklicati modemi;
  • digitalni TV sprejemniki;
  • senzor optične računalniške miške;
• napajalna mikrovezja za elektronske naprave - stabilizatorji, napetostni pretvorniki, vklopna stikala itd.;
• digitalni atenuatorji;
• vezja s fazno zaklenjeno zanko (PLL);
• generatorji in obnovitve frekvence za sinhronizacijo ure;
• osnovni matrični kristali (BMC): vsebuje analogna in digitalna vezja.

Serija čipov

Analogna in digitalna mikrovezja se proizvajajo serijsko. Serija je skupina mikrovezij, ki imajo enotno zasnovo in tehnološko zasnovo ter so namenjena skupni uporabi. Mikrovezja iste serije imajo praviloma enake napajalne napetosti in so usklajena glede na vhodne in izhodne upore ter nivoje signalov.

Ohišja

Paketi IC za površinsko montažo

Mikrosestav z odprtim mikrovezjem, privarjenim na tiskano vezje

Določena imena

Svetovni trg

Leta 2017 je bil svetovni trg integriranih vezij ocenjen na 700 milijard dolarjev.

12. septembra 1958 je uslužbenec družbe Texas Instruments (TI) Jack Kilby vodstvu demonstriral nenavadno napravo - napravo iz dveh kosov silicija velikosti 11,1 x 1,6 mm, zlepljenih s čebeljim voskom na stekleno podlago. Šlo je za tridimenzionalni model - prototip integriranega vezja (IC) generatorja, ki dokazuje možnost izdelave vseh elementov vezja na osnovi enega polprevodniškega materiala. Ta datum se v zgodovini elektronike praznuje kot rojstni dan integriranih vezij.

Integrirana vezja (čipi, IC) vključujejo elektronske naprave različne zahtevnosti, pri kateri so vsi podobni elementi izdelani hkrati v enem samem tehnološkem ciklu, t.j. uporabo integrirane tehnologije. Za razliko od tiskana vezja(v katerem so vsi povezovalni vodniki sočasno izdelani v enem ciklu z uporabo integrirane tehnologije), so upori, kondenzatorji, diode in tranzistorji podobno oblikovani v IC. Poleg tega se veliko IC proizvaja hkrati, od deset do tisoč

Prej sta bili ločeni dve skupini IC: hibridni in polprevodniški

Pri hibridnih IC (HIC) so vsi prevodniki in pasivni elementi oblikovani na površini substrata mikrovezja (običajno keramičnega) z uporabo integrirane tehnologije. Aktivni elementi v obliki pakiranih diod, tranzistorjev in polprevodniških IC kristalov se na substrat vgrajujejo posamezno, ročno ali avtomatsko.

V polprevodniških IC se povezovalni, pasivni in aktivni elementi oblikujejo v enem samem tehnološkem ciklu na površini polprevodniškega materiala z delnim vdorom v njegov volumen z difuzijskimi metodami. Hkrati se na eni polprevodniški rezini izdela od nekaj deset do nekaj tisoč IC.

Prvi hibridni IC.

GIS je produkt evolucijskega razvoja mikromodulov in tehnologije montaže keramičnih plošč. Zato so se pojavili neopaženi, saj ni splošno sprejetega datuma rojstva GIS in splošno priznanega avtorja.

Polprevodniški IC so bili naravna in neizogibna posledica razvoja polprevodniške tehnologije, vendar so zahtevali generiranje novih idej in ustvarjanje nove tehnologije, ki ima tako svoje rojstne datume kot svoje avtorje.

Prvi hibridni in polprevodniški IC so se pojavili v ZSSR in ZDA skoraj istočasno in neodvisno drug od drugega.

Že v poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja je podjetje Centralab v ZDA razvilo osnovne principe za izdelavo debeloslojnih keramičnih tiskanih vezij.

In v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja je podjetje RCA izumilo tehnologijo tankih filmov: z razprševanjem različnih materialov v vakuumu in njihovim nanašanjem skozi masko na posebne podlage so se naučili hkrati izdelati veliko miniaturnih filmov, ki povezujejo vodnike, upore in kondenzatorje na enem samem. keramični substrat

V primerjavi z debeloslojno tehnologijo je tankoplastna tehnologija omogočala natančnejšo izdelavo topoloških elementov manjših dimenzij, vendar je zahtevala zahtevnejšo in dražjo opremo. Naprave, izdelane na keramičnih ploščah s tehnologijo debelega ali tankega filma, se imenujejo "hibridna vezja".

Mikromodul pa je postal hibridno integrirano vezje v trenutku, ko so v njem uporabili nepakirane tranzistorje in diode in strukturo zaprli v skupno ohišje.

V ZSSR

Prve GIS (moduli tipa "Kvant", pozneje označeni kot serija IS 116) v ZSSR so razvili leta 1963 v NIIRE (kasneje NPO Leninets, Leningrad) in istega leta je njihova pilotna tovarna začela njihovo serijsko proizvodnjo. V teh GIS so bili kot aktivni elementi uporabljeni polprevodniški IC "R12-2", ki jih je leta 1962 razvila tovarna polprevodniških naprav v Rigi.

Moduli Kvant so bili nedvomno prvi v svetu GIS z dvonivojsko integracijo - kot aktivne elemente so uporabili polprevodniške IC-je namesto diskretnih pakiranih tranzistorjev

V ZDA

Pojav debeloslojnega GIS kot glavne elementne baze novega računalnika IBM System / 360 je IBM prvič napovedal leta 1964.

Polprevodniški IC serije "Micrologic" iz Fairchilda in "SN-51" iz TI so bili še vedno nedostopni in prehibo dragi za komercialno uporabo, izdelava velikega računalnika.Zato je IBM Corporation, ki je za osnovo vzel zasnovo ploščatega mikromodula, je razvil svojo serijo debeloslojnih GIS, objavljenih pod splošnim imenom (v nasprotju z "mikromoduli") je "SLT-moduli" (Solid Logic Technology - trdna logična tehnologija. Običajno se beseda "solid" v ruščino prevede kot "trdna snov" ", kar je popolnoma nelogično. Dejansko je izraz "SLT-moduli" " IBM uvedel kot nasprotje izrazu "mikromodul" in bi moral odražati njihovo razliko. Beseda "trden" ima druge pomene - "trden", " celoto«, ki uspešno poudarjajo razliko med »SLT-moduli« in »mikromoduli«

Modul SLT je bila kvadratna keramična debeloslojna mikroplošča z vtisnjenimi navpičnimi zatiči. Na njegovo površino so bili s sitotiskom naneseni povezovalni vodniki in upori ter vgrajeni tranzistorji brez embalaže. Kondenzatorji so bili po potrebi nameščeni poleg modula SLT

Čeprav so navzven skoraj enaki (mikromoduli so nekoliko višji), se moduli SLT od ploščatih mikromodulov razlikujejo po večji gostoti elementov, nizki porabi energije, visoki zmogljivosti in visoki zanesljivosti.

Poleg tega je bilo tehnologijo SLT precej enostavno avtomatizirati, tako da jih je bilo mogoče izdelati po dovolj nizki ceni za uporabo v komercialni opremi. Točno to je IBM potreboval. Za IBM-om so druga podjetja začela proizvajati GIS, za katere je GIS postal komercialni izdelek.

V začetku februarja 2014 je petinpetdeseta obletnica pojava v svetovni skupnosti tako sestavnega dela sodobne tehnologije vezij, kot je integrirano vezje.

Spomnimo vas, da je leta 1959 Zvezni patentni urad Združenih držav Amerike podjetju Texas Instruments izdal patent za izdelavo integriranega vezja.

Ta dogodek je bil označen kot rojstvo dobe elektronike in vseh prednosti, ki izhajajo iz njene uporabe.

Dejansko je integrirano vezje osnova večine električnih naprav, ki jih poznamo.

Ideja o izdelavi integriranega vezja se je prvič pojavila v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja. Glavni argument za njegov videz je bila miniaturizacija in znižanje stroškov električnih naprav. Dolgo časa so bile misli o njegovi izvedbi preprosto v zraku, kljub dejstvu, da so se v svetu aktivno razvijale veje tehnologije vezij, kot sta televizija in radio, pa tudi računalniška tehnologija.

Ustvarjanje integriranega vezja je pomenilo opustitev nepotrebnih žic, montažnih plošč in izolacije pri proizvodnji vezij z uporabo diod in polprevodniških tranzistorjev. Vendar dolgo časa nikomur ni uspelo uresničiti takšnih misli. Šele po aktivnem delu tako nadarjenega in sodobnim znanstvenikom dobro znanega inženirja, kot je Jack Kilby (dobitnik Nobelove nagrade za fiziko za izum integriranega vezja leta 2000), je bilo leta 1958 uvedeno prvo mikrovezje. Skoraj šest mesecev pozneje je izum patentiralo podjetje, za katerega je delal Kilby (Texas Instruments).

Seveda lahko zdaj ugotovimo dejstvo, da je bilo prvo mikrovezje nemškega znanstvenika Kilbyja popolnoma neuporabno. Vendar pa je na njegovi osnovi nastajalo vse več poznejših integriranih vezij, eno od njih je bila tehnologija Roberta Noycea - silicijev ravninski čip.

R. Noyce je bil na visokem položaju v podjetju Fairchald Semiconductor, natančneje, bil je eden od njegovih ustanoviteljev. Noyceovo delo je bilo patentirano skoraj takoj po prejemu Kilbyjevega patenta. Vendar pa je za razliko od Kilbyjevega čipa Noyceov razvoj postal priljubljen med večjimi proizvajalci električne opreme. To je povzročilo spor med družbama Texas Instruments in Fairchald Semiconductor ter kasnejše sodne postopke do leta 1969. Kot rezultat je bil Noyce imenovan za prvega izumitelja mikrovezij. Čeprav to naključje okoliščin sploh ni razburilo lastnikov obeh podjetij. Nekaj ​​let prej so prišli do soglasne odločitve in oba znanstvenika priznali kot enakovredno utemeljitelja integriranega vezja ter jima podelili najvišji nagradi znanstvenih in inženirskih skupnosti ZDA - National Medal of Science in National Medal of Technology .

Če se poglobite v preteklost, lahko z gotovostjo trdite, da je, preden sta Noyce in Kilby svetu predstavila mikrovezje, precej veliko število znanstvenikov delalo na tej ideji in predlagalo nič manj napredne modele. Med njimi je inženir Werner Jacobi (Nemčija). Njegov razvoj je bil leta 1949 celo patentiran. V patentu je inženir skiciral zasnovo mikrovezja, sestavljenega iz 5 tranzistorjev na skupnem substratu. Kasneje, leta 1952, je princip integracije komponent vezja v eno samo enoto opisal angleški inženir D. Dammer. Po nadaljnjih petih letih je Jeffrey Dummer objavil prvi delujoč primer flip-flopa integriranega vezja, ki temelji na štirih tranzistorjih. Na žalost angleški vojaški strokovnjaki Dummerjevega izuma niso cenili, čeprav bi ga morali. Posledično je bilo vse znanstvenikovo delo prekinjeno. Kasneje so Dummerjev izum imenovali prednik sodobnih mikrovezij, sam znanstvenik pa prerok integriranega vezja.

Leta 1957 so Združene države Amerike sprejele vlogo drugega inženirja, Bernarda Oliverja, za patent za tehnologijo, ki jo je opisal za izdelavo monolitnega bloka z uporabo treh planarnih tranzistorjev.

Med imeni prerokov sodobnega mikrovezja so začetnice inženirja Harvicka Johnsona, ki je patentiral več vrst ustvarjanja elektronskih komponent vezij na enem čipu, vendar nikoli ni prejel niti enega dokumenta, ki bi omogočal izvajanje njegovih odkritij. Eno od teh metod je uporabil Jack Kilby, ki je prejel vse Johnsonove lovorike.

6. februar 1959, pred natanko 55 leti Zvezni patentni urad ZDA je podjetju Texas Instruments izdal patent za izum integriranega vezja. Tako je bilo uradno priznano rojstvo tehnologije, brez katere danes ne bi imeli pri roki velike večine elektronskih naprav, ki jih poznamo, in z njimi povezanih zmogljivosti.

Ideja o integriranem vezju v poznih 50-ih, kot pravijo, je bila v zraku. Tranzistor je že ustvarjen; hitro razvijajoče se radijsko in televizijsko vezje, da ne omenjamo računalniške tehnologije, je zahtevalo iskanje rešitev za miniaturizacijo; Potrošniški trg je potreboval cenejšo opremo. Ideja o izločitvi vsega odvečnega iz vezja s polprevodniškimi tranzistorji in diodami (montažne plošče, žice, ohišja in izolatorji), zbiranje njegovega bistva v eno "opeko" - n-p spoji - je neizogibno morala priti nekomu na misel.

In tako se je zgodilo. Prispela je. Poleg tega več nadarjenih inženirjev hkrati, a le eden izmed njih danes velja za "očeta integriranega vezja" - Jack Kilby, uslužbenec podjetja Texas Instruments, ki je leta 2000 prejel Nobelovo nagrado za fiziko za izum integrirano vezje. 24. julija 1958 je v svoj delovni dnevnik zapisal zamisel o novi napravi, 12. septembra je demonstriral delujoč vzorec mikrovezja, ga pripravil in prijavil za patent ter ga prejel 6. februarja 1959. .

Po pravici povedano je treba priznati, da je bila zasnova germanijevega čipa Kilby praktično neprimerna za industrijski razvoj, česar pa ne moremo reči o silicijevem ravninskem čipu, ki ga je razvil Robert Noyce.

Robert Noyce, ki je delal pri Fairchald Semiconductor (bil je eden od ustanoviteljev tega podjetja), je skoraj sočasno in neodvisno od Kilbyja razvil lastno različico zasnove integriranega vezja, ga patentiral in ... pahnil Texas Instruments in Fairchald Semiconductor v 10-letna neprekinjena patentna vojna, ki se je končala 6. novembra 1969 z odločitvijo ameriškega patentnega in carinskega pritožbenega sodišča, po kateri naj bi za edinega izumitelja mikrovezja veljal ... Robert Noyce! Vrhovno sodišče ZDA je to odločitev potrdilo.

Še pred sodno razsodbo leta 1966 pa sta se podjetji dogovorili, da drug drugemu priznavata enake pravice do integriranega vezja, oba izumitelja, Kilby in Noyce, pa sta prejela enaka najvišja priznanja ameriških znanstvenih in inženirskih skupnosti: nacionalno medaljo znanosti in državna medalja za tehnologijo.

Vendar so bili drugi, ki so veliko prej kot Kilby in Noyce oblikovali načelo zasnove in celo patentirali integrirano vezje. Nemški inženir Werner Jacobi je v svojem patentu iz leta 1949 narisal zasnovo mikrovezja 5 tranzistorjev na skupnem substratu. 7. maja 1952 je angleški radijski inženir Geoffrey Dummer v svojem javnem govoru na simpoziju o elektronskih komponentah v Washingtonu (mimogrede, na tem simpoziju je bil prisoten tudi Jack Kilby) opisal princip integracije komponent vezja v eno samo enoto; leta 1957 je predstavil delujoč primer prvega sprožilca integriranega vezja na svetu s 4 tranzistorji. Strokovnjaki britanskega vojaškega oddelka niso razumeli novega izdelka in niso cenili njegovega potenciala. Delo je bilo zaprto. Pozneje so Dummerja v domovini imenovali "prerok integriranega vezja", povabili so ga k sodelovanju v številnih nacionalnih in mednarodnih projektih za razvoj elektronskih tehnologij.

Oktobra istega leta je v ZDA Bernard Oliver vložil patentno prijavo, ki opisuje metodo izdelave monolitnega bloka treh planarnih tranzistorjev. 21. maja 1953 je inženir Harvick Johnson predložil predlog več načinov oblikovanja različnih komponent elektronskega vezja na enem čipu. Smešno je, da je eno od možnosti, ki jih je predlagal Johnson, 6 let kasneje neodvisno izvedel in patentiral Jack Kilby. Neverjetno!

Podrobne biografije vseh izumiteljev integriranega vezja, opise dogodkov in okoliščin velikega, upam si trditi, izuma lahko danes brez težav najde vsak: vse to je na internetu. Na rojstni dan mikrovezja bi rad "dal besedo" vsem trem: Jeffreyju Dummerju, Jacku Kilbyju in Robertu Noyceu. V različnih intervjujih sta delila spomine na to, »kako je bilo«, svoja razmišljanja in izkušnje. Izbrala sem nekaj izrekov, ki so se mi zdeli zanimivi...

Jeffrey Dummer:
»S pojavom tranzistorja in dela na polprevodnikih na splošno se danes zdi, da se lahko postavi vprašanje ustvarjanja elektronske opreme v obliki trdnega bloka brez kakršnih koli povezovalnih žic. Ta blok je lahko sestavljen iz plasti izolacijskih, prevodnih, usmerjevalnih in ojačevalnih materialov. Določanje elektronskih funkcij komponent in njihovo pravilno povezovanje je mogoče izvesti z izrezovanjem delov posameznih plasti."
»V eni od svojih knjig sem razlog za svoj neuspeh pojasnil kot veliko utrujenost zaradi neskončnih birokratskih vojn, a morda to ni edini razlog. Dejstvo je, da nihče ni hotel tvegati. Ministrstvo za vojno ne bo sklenilo pogodbe za napravo, ki ni bila prilagojena industrijskemu standardu. Nekateri razvijalci se niso želeli lotiti njim neznane naloge. To je situacija kokoš in jajce. Američani so finančni pustolovci in v tej državi (misli se na Anglijo. - Yu.R.) vse se dogaja prepočasi.”

Jack Kilby:
»Potem ko je na sceno prišel tranzistor, se je ponovno pojavilo zanimanje za to, kar so pred časom začeli imenovati »miniaturizacija«. Nikoli ni bil sam sebi namen, vendar se je za ogromno aplikacij zdelo zelo priročno zbrati več komponent na enem mestu in jih tesno zapakirati. In potem je mornarica začela s projektom bližinskih varovalk. Resnično so potrebovali napravo, kjer so bile vse elektronske komponente sestavljene na plošči, veliki največ kvadratni palec. Zapravili so že pošteno vsoto denarja, a še vedno niso dobili, kar so želeli ... Tranzistor je rešil vse težave. Na splošno takrat in zdaj, če imate nov izdelek in je zanimiv za vojsko ali pa ga lahko uredite tako, da bo zanimiv za vojsko, potem boste praviloma imeli ni problema z delom, ker boste imeli sredstva. To je veljalo v tistih daljnih časih in velja tudi zdaj.”

»Glavni motiv za delo na integriranem vezju je bilo znižanje stroškov proizvodnje opreme. Res je, takrat si res nisem predstavljal obsega možnega znižanja stroškov in koliko bi faktor cenenosti razširil področje uporabe elektronike na povsem drugačna področja. Leta 1958 je en sam silicijev tranzistor, ki se prav tako ni najbolje prodajal, stal okoli 10 dolarjev. Danes lahko za 10 dolarjev kupite več kot 100 milijonov tranzistorjev. Tega nisem mogel predvideti. In prepričan sem, da si nihče ni predstavljal, da je to mogoče.”

»Prvi mikrokalkulator (na sliki) smo začeli razvijati, da bi razširili trg integriranih vezij: množični trg je zanje pomemben. Prve kalkulatorje smo prodajali za 500 dolarjev, danes jih prodajajo za 4–5 dolarjev in so postali izdelek za enkratno uporabo. Tu gre za vprašanje nižjih cen.”

»Ali je izum integriranega vezja moj največji dosežek v življenju? Oh, vsekakor!..”

Robert Noyce:
»V Fairchildu smo začeli delati na inženirskem projektu, ki ga je vojska imenovala »molekularni inženiring«. Financirale so ga letalske sile. Predpostavljalo se je, da bi morali ustvariti nekakšno strukturo, zgrajeno iz struktur molekula na molekulo ali celo atom na atom. In takšna struktura bi morala opravljati funkcije elektronske naprave. To ni bil ravno naš profil, saj je bila moč elektronske industrije vedno v sintetiziranju nečesa iz preprostih elementov, namesto da bi poskušali izumiti kompleksen element. Ustvarijo se preprosti elementi vezja: kondenzatorji, upori, ojačevalni elementi, diode itd., Nato pa se iz njih sintetizira zahtevana funkcija. V bistvu je šlo nekaj narobe z molekularnim inženiringom.«

»Sprašujete, ali je bila vstop v integrirana vezja predvsem marketinška odločitev. Mislim, da ne. Mislim, da večine tovrstnih napredkov tržniki niso predvideli in jih niso zavestno pripravili. Raje so izhajale iz logike tehnični napredek. Ta čas bi lahko označili takole: »Zdaj lahko to storimo. Zakaj ga ne poskusiš prodati?" In danes pride nekdo iz marketinga in reče: "Če bi to imeli, bi lahko prodali." Čutite, kje je razlika? V primeru integriranega vezja je bil najbolj vznemirljiv občutek, da obstaja potreba po tej napravi. Vsak ima. Vojska, civilisti ... Vidite, vsi!«