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

Uvod

Od pojava prvih računalnikov so razvijalci programske opreme sanjali o strojni opremi, zasnovani za rešitev njihovega posebnega problema. Zato se je ideja o ustvarjanju posebnih integriranih vezij, ki jih je mogoče izostriti za učinkovito izvajanje določene naloge, pojavila že dolgo nazaj. Tu obstajata dve razvojni poti:

• Uporaba tako imenovanih specializiranih po meri izdelanih integriranih vezij (ASIC – Application Specific Integrated Circuit). Kot pove že ime, takšna mikrovezja izdelujejo proizvajalci strojna oprema po nalogu za učinkovito izvedbo neke posebne naloge ali niza nalog. Nimajo univerzalnosti, tako kot običajna mikrovezja, vendar rešujejo naloge, ki so jim dodeljene, večkrat hitreje, včasih po velikosti.
• Izdelava čipov z rekonfigurabilno arhitekturo. Ideja je, da pridejo takšni čipi do razvijalca ali uporabnika programske opreme v neprogramiranem stanju, ta pa lahko na njih implementira arhitekturo, ki mu najbolj ustreza. Oglejmo si podrobneje njihov razvojni proces.

Sčasoma se je pojavilo veliko število različnih mikrovezij 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 nalog v obliki popolnega disjunktiva normalna oblika(popoln DNF). Prva so se leta 1970 pojavila mikrovezja PROM, ki sodijo prav v razred naprav PLD. 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

S pomočjo preddefinirane matrike IN se na vhodne spremenljivke implementirajo vse možne konjunkcije, ki jih lahko nato poljubno kombiniramo z elementi ALI. Tako je na izhodu lahko katero koli funkcijo treh spremenljivk implementirano kot popoln DNF. Na primer, če programirate tiste elemente ALI, ki so na sliki 2 obkroženi z rdečo, bodo izhodi funkcije w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Sprva so bili čipi PROM zasnovani za shranjevanje programskih navodil in konstantnih vrednosti, tj. za opravljanje funkcij računalniškega pomnilnika. Vendar jih razvijalci uporabljajo tudi za izvajanje preprostih logičnih funkcij. Pravzaprav se lahko PROM čipa uporablja za implementacijo katerega koli logičnega bloka, če ima le majhno število vhodov. Ta pogoj izhaja iz dejstva, da je matrika elementov IN togo definirana v mikrovezjih EPROM - v njej so realizirane vse možne konjunkcije iz vhodov, to je, da je število elementov IN enako 2 * 2 n, kjer je n število vložkov. 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 mikrovezjih PROM - tudi PLA je sestavljen iz nizov IN in ALI, vendar sta za razliko od PROM obe nizi programabilni. To omogoča večjo prilagodljivost v takšnih mikrovezjih, vendar še nikoli niso bila običajna, ker signali potujejo skozi programabilne povezave veliko dlje, kot pa potujejo skozi svoje vnaprej določene dvojnike.

Da bi rešili problem hitrosti, ki je neločljivo povezan z PLA, se je v poznih 1970-ih pojavil naslednji razred naprav, imenovan Programmable Array Logic (PAL - Programmable Array Logic). Nadaljnji razvoj ideje o čipih PAL je bil pojav naprav GAL (Generic Array Logic) - bolj zapletene različice PAL, ki uporabljajo tranzistorje CMOS. Tu je uporabljena ideja, ki je ravno nasprotna ideji mikrovezja PROM - programabilna matrika elementov IN je povezana z vnaprej določeno matriko elementov ALI (slika 3).

riž. 3. Neprogramirana naprava PAL

To omejuje funkcionalnost, vendar takšne naprave zahtevajo nize veliko manjše velikosti kot v mikrovezjih PROM.

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

Pojav FPGA

V zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja je med glavnimi vrstami naprav v digitalnem okolju ASIC obstajala vrzel. Na eni strani so bili PLD-ji, ki jih je mogoče programirati za vsako specifično nalogo in jih je precej enostavno izdelati, vendar jih ni mogoče uporabiti za izvajanje kompleksnih funkcij. Po drugi strani pa obstajajo ASIC-ji, ki lahko izvajajo izjemno zapletene funkcije, vendar imajo togo fiksno arhitekturo, medtem ko je njihova izdelava dolga in draga. 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 s pomočjo DNF, temveč s pomočjo programabilnih iskalnih tabel (LUT-tabel). 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, prav tako programabilnimi. Vsak tak blok je namenjen programiranju neke funkcije ali njenega dela, lahko pa se uporablja tudi za druge namene, na primer kot pomnilnik.

V prvih napravah FPGA, razvitih sredi 80-ih, je bil logični blok zelo preprost in je vseboval eno 3-vhodno tabelo 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" (slice), od katerih vsaka vsebuje več tabel LUT (običajno 6 vhodov), več sprožilcev in veliko število servisnih elementov. Tukaj je primer sodobnega "reza":

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 vrat (prva FPGA, razvita leta 1985) do ta trenutek preseglo 10 milijonov ventilov (družina Virtex-6). Aktivno se razvijajo in že nadomeščajo čipe ASIC, kar vam omogoča izvajanje različnih izjemno zapletenih funkcij, hkrati pa ne izgublja možnosti ponovnega programiranja.

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 ljudje, ki so predstavljali tri zasebne ameriške korporacije, so rešili tri temeljne probleme, ki so preprečili ustvarjanje integriranih vezij. Jack Kilby iz Texas Instruments patentiral princip unifikacije, ustvaril prve, nepopolne, prototipe IS in jih pripeljal do množične proizvodnje. Kurt Lehovec iz Sprague Electric Company izumil metodo električne izolacije komponent, oblikovanih na posameznem polprevodniškem kristalu (izolacija s p-n spojem (angl. Izolacija spoja P–n)). Robert Noyce iz Fairchild Semiconductor izumil način električni priključek IC komponente (aluminijasto prevleko) in predlagal izboljšano različico izolacije komponent na podlagi najnovejše planarne tehnologije Jean Ernie (angl. Jean Hoerni). 27. september 1960 Skupina Jaya Lasta Jay Last) ustvarjen dne Fairchild Semiconductor prvo delovno polprevodnik IP o idejah Noycea in Ernija. Texas Instruments, ki je imelo v lasti patent za Kilbyjev izum, je sprožilo patentno vojno proti konkurentom, ki se je leta 1966 končala s poravnalno pogodbo o tehnološkem navzkrižnem licenciranju.

Zgodnji logični IC-ji omenjene serije so bili zgrajeni dobesedno iz standard komponente, katerih dimenzije in konfiguracije so bile določene tehnološki proces. Inženirji vezij, ki so oblikovali logične IC-je določene družine, so delovali z enakimi tipičnimi diodami in tranzistorji. V letih 1961-1962 oblikovalsko paradigmo je zlomil glavni razvijalec Sylvania Tom Longo, prvič z uporabo različnih konfiguracija 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 za dolgo časa 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 problemu ustvarjanja visoko zanesljive mikroelektronske opreme in avtomatizacije njene proizvodnje. L. N. Kolesov je bil sam imenovan za predsednika Koordinacijskega sveta za to težavo.

Prvi v ZSSR hibridni debeli film integrirano vezje(serija 201 "Path") je bila razvita v letih 1963-65 na Raziskovalnem inštitutu za natančno tehnologijo ("Angstrem"), serijska 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 osnovi planarne tehnologije, ki jo je v začetku leta 1960 na NII-35 (takrat preimenovanem v Pulsar Research Institute) razvila skupina, 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 TC-100 (37 elementov - enakovredno kompleksnosti vezja flip-flopa, analognega ameriškemu serija IC SN-51 podjetij Texas Instruments). Prototipi in proizvodni vzorci silicijevih integriranih vezij za reprodukcijo so bili pridobljeni iz ZDA. Delo je bilo izvedeno v NII-35 (vodja Trutko) in Fryazinsky Semiconductor Plant (direktor Kolmogorov) po obrambnem naročilu za uporabo v avtonomnem višinomeru sistema za vodenje balističnih raket. Razvoj je vključeval šest tipičnih integriranih silicijevih planarnih vezij serije TS-100 in je z organizacijo pilotne proizvodnje trajal tri leta na NII-35 (od 1962 do 1965). Trajalo je še dve leti, da bi obvladali tovarniško proizvodnjo z vojaškim sprejemom v Fryazinu (1967).

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

Ravni oblikovanja

Trenutno (2014) je večina integriranih vezij zasnovana s pomočjo specializiranih sistemov CAD, ki vam 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:

• malo integrirano vezje (MIS) - do 100 elementov v kristalu,
• srednje integrirano vezje (SIS) - do 1000 elementov v kristalu,
• veliko integrirano vezje (LSI) - do 10 tisoč elementov v kristalu,
• zelo 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 (GBIS) - 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

• Polprevodniško mikrovezje - vsi elementi in medsebojne povezave so izdelani na enem samem polprevodniškem kristalu (na primer silicij, germanij, galijev arzenid).

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

Vrsta obdelanega signala

• Analogno-digitalni.

Tehnologije izdelave

Logične vrste

Glavni element analognih vezij so tranzistorji (bipolarni ali poljski). Razlika v tehnologiji izdelave tranzistorjev bistveno vpliva na značilnosti mikrovezij. Zato je pogosto v opisu mikrovezja navedena tehnologija izdelave, da se poudari splošne značilnosti lastnosti in zmogljivosti mikrovezja. IN sodobne tehnologije združujejo tehnologije bipolarne in tranzistorji z učinkom polja za izboljšanje delovanja čipov.

• Mikrovezja 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-MOS).
• Mikrovezja na bipolarnih tranzistorjih:
  • 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;
  • ESL - emitter-coupled logic - na bipolarnih tranzistorjih, katerih način delovanja je izbran tako, da ne preidejo v način nasičenja, kar bistveno poveča hitrost;
  • IIL - logika integralne injekcije.
• Mikrovezja, ki uporabljajo tranzistorje z učinkom polja in bipolarne tranzistorje:

Z uporabo iste vrste tranzistorjev je mogoče mikrovezja zgraditi z uporabo različnih metodologij, kot sta statična ali dinamična.

Tehnologiji CMOS in TTL (TTLS) sta najpogostejši logiki čipov. Kjer je treba varčevati s trenutno porabo, se uporablja tehnologija CMOS, kjer je pomembnejša hitrost in varčevanje s porabo energije ni potrebno, se uporablja tehnologija TTL. Šibka točka mikrovezja CMOS je ranljivost za statično elektriko - dovolj je, da se z roko dotaknete izhoda mikrovezja in njegova celovitost ni več zagotovljena. Z razvojem tehnologij TTL in CMOS se mikrovezja približujejo po parametrih in posledično je na primer serija mikrovezij 1564 izdelana po tehnologiji CMOS, funkcionalnost in umestitev v ohišje pa sta podobni kot pri TTL tehnologija.

Čipi, izdelani po tehnologiji ESL, so najhitrejši, a tudi najbolj potratni in so bili uporabljeni pri izdelavi Računalništvo v primerih, ko je bil najpomembnejši parameter hitrost izračuna. V ZSSR so bili najbolj produktivni računalniki tipa ES106x izdelani na mikrovezjih ESL. Zdaj se ta tehnologija redko uporablja.

Tehnološki proces

Pri izdelavi mikrovezij se uporablja metoda fotolitografije (projekcijska, kontaktna itd.), vezje pa je oblikovano na substratu (običajno siliciju), pridobljenem z rezanjem monokristalov silicija na tanke rezine z diamantnimi diski. Zaradi majhnosti linearnih dimenzij elementov mikrovezja so med osvetljevanjem 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 industriji uvedli nove tehnične procese po načrtu ITRS vsaki 2 leti, medtem ko so podvojili število tranzistorjev na enoto površine: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) , 14 nm proizvodnja se je začela leta 2014, razvoj 10 nm procesov se pričakuje okoli leta 2018.

V letu 2015 so bile ocene, da se bo uvajanje novih tehničnih procesov upočasnilo.

Kontrola kakovosti

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

Namen

Integrirano vezje ima lahko celotno, poljubno kompleksno 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 (torej so analogni signali).

Laboratorijski vzorec 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. Imel je nizkofrekvenčni ojačevalnik majhne moči, operacijski ojačevalnik in video ojačevalnik.

V ZSSR je bil do konca sedemdesetih let pridobljen velik 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 vsa vozlišča superheterodinskega FM radijskega sprejemnika).

• Filtri (vključno s tistimi, ki temeljijo na piezoelektričnem učinku).
• analogni množilniki.
• Analogni atenuatorji in spremenljivi ojačevalniki.
• Stabilizatorji napajanja: Stabilizatorji napetosti in toka.
• Krmilna mikrovezja stikalnih napajalnikov.
• Pretvorniki signalov.
• Različni senzorji.

Analogna mikrovezja se uporabljajo v opremi za ojačevanje in reprodukcijo zvoka, v videorekorderjih, televizorjih, komunikacijski tehnologiji, 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 kamerah in fotoaparatih

• CCD senzorji (ICX404AL).
• CCD ravnila (MLX90255BA).

V opremi za ojačitev in reprodukcijo zvoka

• Avdiofrekvenčni ojačevalniki moči (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Dvojni UMZCH za stereo opremo (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Različne kontrole (K174UN10 - dvokanalni UMZCH z elektronskim nadzorom frekvenčnega odziva, K174UN12 - dvokanalni nadzor glasnosti in ravnovesja).

V merilnih instrumentih V radijskih oddajnikih in sprejemnikih

• Detektorji AM signala (K175DA1).
• Detektorji FM signala (K174UR7).
• Mešalniki (K174PS1).
• Visokofrekvenčni ojačevalniki (K157XA1).
• Vmesni frekvenčni ojačevalniki (K157XA2, K171UR1).
• Radijski sprejemniki z enim čipom (K174XA10).

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 barvnem kanalu (K174AF5 - oblikovalec barvnih R-, G-, B-signalov, K174XA8 - elektronsko stikalo, omejevalni ojačevalnik in demodulator barvnih informacijskih signalov).
• V vozliščih skeniranja (K174GL1 - generator skeniranja okvirja).
• V preklopnih, sinhronizacijskih, korekcijskih in krmilnih vezjih (K174AF1 - izbirnik amplitude sinhronizacijskega signala, generator horizontalnih frekvenčnih impulzov, enota za avtomatsko nastavitev frekvence in faze signala, generator impulzov horizontalnega pomika, K174UP1 - ojačevalnik svetlobnega signala, elektronski regulator nihanje izhodnega signala in raven črne).

Proizvodnja

Prehod na submikronske velikosti integralnih elementov zaplete načrtovanje AIMS. Na primer, MOSFET-ji 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 napetosti odmika diferencialnih in operacijskih ojačevalnikov; nizka izhodna upornost nizkega 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 mikrovezje, 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 na tranzistorju ni padca napetosti, v drugem - skozi njega 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 mogoče je uporabiti posebne kode, ki omogočajo popravljanje napak.
• Velika razlika v nivojih stanj signalov visoke in nizke ravni (logični "0" in "1") in precej širok razpon njihovih dovoljenih sprememb naredi digitalno tehnologijo neobčutljivo na neizogibno širjenje 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, namenjeno pretvorbi signalov, ki se spreminjajo po zakonu diskretne funkcije, v signale, ki se spreminjajo po zakonu zvezne funkcije, in obratno.

Pogosto eno mikrovezje opravlja funkcije več naprav hkrati (na primer ADC 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 čisto digitalni IC-ji, analogni multiplekserji vsebujejo digitalne logične elemente (običajno dekoder) in lahko vsebujejo analogna vezja);
• oddajniki-sprejemniki (na primer oddajnik-sprejemnik omrežnega vmesnika ethernet);
• modulatorji in demodulatorji;
  • radijski modemi;
  • Dekoderji za teletekst, VHF radijsko besedilo;
  • Fast Ethernet oddajniki in sprejemniki in optične linije;
  • poklicati modemi;
  • digitalni TV sprejemniki;
  • senzor optične računalniške miške;
• napajalni čipi za elektronske naprave - stabilizatorji, napetostni pretvorniki, vklopna stikala itd.;
• digitalni atenuatorji;
• vezja s fazno zaklenjeno zanko (PLL);
• Urni generatorji in restavratorji;
• 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 napetosti napajalnikov, se ujemajo glede na vhodne in izhodne upore, nivoje signalov.

Korpus

Paketi integriranih vezij za površinsko montažo

Mikrosestav z mikrovezjem brez okvirja, privarjenim na tiskano vezje

Posebni naslovi

Svetovni trg

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

12. septembra 1958 je uslužbenec Texas Instruments (TI) Jack Kilby vodstvu pokazal nenavadno napravo - napravo, prilepljeno s čebeljim voskom na stekleno podlago iz dveh kosov silicija, ki merijo 11,1x1,6 mm. Šlo je za tridimenzionalno postavitev - prototip integriranega vezja (IC) generatorja, ki dokazuje možnost izdelave vseh elementov vezja na osnovi enega samega polprevodniškega materiala. Ta datum se v zgodovini elektronike praznuje kot rojstni dan integriranih vezij.

Integrirana vezja (mikrovezja, IC) vključujejo elektronske naprave različne zahtevnosti, pri kateri se v enem samem tehnološkem ciklu hkrati izdelujejo vsi elementi istega tipa, t.j. z integrirano tehnologijo. 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 hkrati proizvaja veliko IC-jev, od deset do tisoč

Prej sta bili dve skupini integriranih vezij: hibridna in polprevodniška

V hibridnih IC (HIC) so vsi prevodniki in pasivni elementi oblikovani na površini substrata mikrovezja (običajno iz keramike) z uporabo integrirane tehnologije. Aktivni elementi v obliki brezpaketnih diod, tranzistorjev in polprevodniških IC čipov se na substrat namestijo posamezno, ročno ali avtomatsko.

V polprevodniških IC se povezovalni, pasivni in aktivni elementi oblikujejo v enem 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 keramičnih plošč. Zato so se pojavili neopazno, 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 novih tehnologij, ki imajo svoje datume rojstva in 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 Centralab v ZDA razvil osnovne principe za izdelavo debeloslojnih tiskanih vezij na keramični osnovi.

In v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja je RCA izumil tehnologijo tankega filma: z razprševanjem različnih materialov v vakuumu in njihovim odlaganjem skozi masko na posebne podlage, so se naučili, kako hkrati izdelati veliko miniaturnih filmov, ki povezujejo vodnike, upore in kondenzatorje na eni sami keramični podlagi. .

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

Toda mikromodul je postal hibridno integrirano vezje v trenutku, ko so v njem uporabili brezpaketne tranzistorje in diode in strukturo zaprli v skupno ohišje.

V ZSSR

Prvi GIS (moduli tipa "Kvant", kasneje imenovani serija IS 116) v ZSSR so razvili leta 1963 v NIIRE (kasneje NPO Leninets, Leningrad) in istega leta je njegova pilotna tovarna začela množično proizvodnjo. V teh GIS so bili kot aktivni elementi uporabljeni polprevodniški IC "P12-2", ki jih je leta 1962 razvila tovarna polprevodniških naprav v Rigi.

Nedvomno so bili moduli Kvant prvi GIS na svetu z dvonivojsko integracijo - kot aktivni elementi niso uporabljali diskretnih tranzistorjev brez okvirja, temveč polprevodniške IC-je

V ZDA

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

Polprevodniški IC serije "Micrologic" proizvajalca Fairchild in "SN-51" proizvajalca TI so bili še vedno nedostopni in prehibo dragi za komercialno uporabo, izgradnjo velikega računalnika. Zato je IBM na podlagi zasnove ploščatega mikromodula razvil lastna serija debeloslojnih GIS, objavljena pod skupnim imenom (v nasprotju z "mikromoduli") - "SLT-moduli" (Solid Logic Technology - trdna logična tehnologija. Običajno se beseda "solid" v ruščino prevede kot "trdna" , kar je popolnoma nelogično. Dejansko je izraz "SLT-moduli" uvedel IBM kot nasprotje izrazu "mikromodul" in bi moral odražati njihovo razliko. Beseda "trden" ima druge pomene - "trden", "celoten" , ki uspešno poudarjajo razliko med »SLT moduli« in »mikromoduli«

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

S skoraj enakim videzom (mikromoduli so nekoliko višji) so se moduli SLT od ploščatih mikromodulov razlikovali po večji gostoti elementov, nizki porabi energije, visoki hitrosti in visoki zanesljivosti.

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

V prvih dneh februarja 2014 je bila obeležena petinpetdeseta obletnica pojava v svetovni skupnosti tako sestavnega dela sodobnega vezja, 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.

Prvič se je ideja o ustvarjanju integriranega vezja 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 takšne veje vezja, kot sta televizija in radio, pa tudi računalniška tehnologija.

Ustvarjanje integriranega vezja je pomenilo zavrnitev dodatnih žic, montažnih plošč, izolacije pri proizvodnji vezij na osnovi diod in polprevodniških tranzistorjev. Vendar dolgo časa nihče ni mogel uresničiti takšnih idej. Šele po aktivnem delu tako nadarjenega in 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 so bila na njeni osnovi ustvarjena vsa kasnejša integrirana vezja, eno od njih je bila tehnologija Roberta Noycea - silicijevo planarno mikrovezje.

R. Noyce je imel visok položaj v podjetju Fairchald Semiconductor, natančneje bil je eden od njegovih ustanoviteljev. Noyceovo delo je bilo patentirano skoraj takoj po podelitvi Kilbyjevega patenta. Za razliko od čipa Kilby pa je bil Noyceov dizajn povpraševan med glavnimi 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 takšen splet okoliščin lastnikov obeh podjetij ni prav nič razburil. Nekaj ​​let prej so se soglasno odločili in oba znanstvenika priznali za ustanovitelja integriranega vezja z enakimi pravicami ter jima podelili najvišji nagradi znanstvenih in inženirskih skupnosti ZDA - National Medal of Science in National Medal of tehnologija.

Če se dobro poglobite v preteklost, potem lahko z gotovostjo trdite, da je, preden sta Noyce in Kilby svetu predstavila mikrovezje, na tej zamisli delalo precej veliko število znanstvenikov, ki so ponudili 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 5 tranzistorjev na skupnem substratu. Kasneje, leta 1952, je princip integracije komponent vezja v eno samo enoto opisal angleški inženir D. Dummer. Po nadaljnjih petih letih je Jeffrey Dummer objavil prvi delujoči vzorec integriranega flip-flop vezja, ki temelji na štirih tranzistorjih. Na žalost britanski strokovnjaki vojaških enot niso cenili izumov Dammerja, čeprav bi morali. Posledično je bilo vse delo znanstvenika prekinjeno. Kasneje so Dummerjev izum imenovali prednik sodobnih mikrovezij, sam znanstvenik pa prerok integriranega vezja.

Leta 1957 je v Združenih državah Amerike drug inženir Bernard Oliver prijavil patent za tehnologijo, ki jo je opisal za izdelavo monolitnega bloka na treh planarnih tranzistorjih.

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

6. februar 1959, pred natanko 55 leti, Zvezni patentni urad ZDA je podelil patent za izum integriranega vezja podjetju Texas Instruments. Tako je bilo uradno priznano rojstvo tehnologije, brez katere danes ne bi imeli pri roki velike večine nam poznanih elektronskih naprav 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, da bi iz vezja na polprevodniških tranzistorjih in diodah (montažne plošče, žice, ohišja in izolatorji) izločili vse odvečno in zbrali svoje bistvo - n-p stičišča - v eno "opeko" - je neizogibno morala priti nekomu na glavo.

In tako se je zgodilo. prišel. Poleg tega več nadarjenih inženirjev naenkrat, 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 zamisel o novi napravi zapisal v svoj delovni dnevnik, 12. septembra je demonstriral delujoč vzorec mikrovezja, pripravil in vložil patentno prijavo ter jo 6. februarja 1959 prejel. .

Če smo pošteni, je bila zasnova Kilbyjevega germanijevega mikrovezja praktično neprimerna za industrijski razvoj, česar pa ne moremo reči za silicijevo planarno mikrovezje, ki ga je razvil Robert Noyce.

Robert Noyce, ki je delal pri Fairchald Semiconductor (bil je tudi 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 neprekinjeno patentno vojno 10 let, ki se je končala 6. novembra 1969 z odločitvijo ameriškega pritožbenega sodišča za patente in carino, po kateri je treba za edinega izumitelja mikrovezja šteti ... Roberta Noycea! Vrhovno sodišče ZDA je potrdilo to odločitev.

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 znanost 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 vezje 5 tranzistorjev na skupnem substratu. 7. maja 1952 je angleški radijski inženir Jeffrey 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 prototip prvega integriranega flip-flopa s 4 tranzistorji na svetu. Strokovnjaki iz vojaškega oddelka Anglije niso razumeli novosti in niso cenili njenega potenciala. Dela so bila zaprta. Pozneje so Dummerja v domovini imenovali "prerok integriranega vezja", povabili so ga k sodelovanju v številnih nacionalnih in mednarodnih projektih za razvoj elektronskih tehnologij.

V ZDA je oktobra istega leta Bernard Oliver vložil patentno prijavo, kjer je opisal metodo za izdelavo monolitnega bloka treh planarnih tranzistorjev. 21. maja 1953 je inženir Harvick Johnson vložil vlogo za več načinov oblikovanja različnih komponent elektronskega vezja v enem samem čipu. Smešno je, da je eno od možnosti, ki jih je predlagal Johnson, 6 let kasneje neodvisno izvedel in patentiral Jack Kilby. super!

Podrobne biografije vseh izumiteljev integriranega vezja, opise dogodkov in okoliščin velikih, ne bojim se besede, izumov danes zlahka najde vsak: vse to je na spletu. Jaz, na rojstni dan mikrovezja, bi rad "dal besedo" vsem trem: Jeffreyju Dummerju, Jacku Kilbyju in Robertu Noyceu. V različnih intervjujih sta delila svoje spomine, »kako je bilo«, svoja razmišljanja in izkušnje. Izbral sem nekaj izjav, ki so se mi zdele zanimive ...

Geoffrey Dummer:
»S pojavom tranzistorjev in delom na polprevodnikih nasploh se danes zdi mogoče zastaviti vprašanje ustvarjanja elektronske opreme v obliki trdnega bloka brez povezovalnih žic. Ta blok je lahko sestavljen iz plasti izolacijskih, prevodnih, usmerjevalnih materialov in materialov za ojačanje signala. Nastavitev 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 razložil kot močno utrujenost od neskončnih birokratskih vojn, a morda to ni edino. Dejstvo je, da nihče ni hotel tvegati. Ministrstvo za vojno ne bo sklenilo pogodbe za napravo, ki ni bila industrijsko oblikovana. Nekateri razvijalci niso želeli prevzeti njim neznanega primera. To je situacija kokoš in jajce. Američani so finančni pustolovci in v tej državi (misli se na Anglijo. - Yu. R.) vse gre prepočasi.”

Jack Kilby:
»Potem ko je na sceno prišel tranzistor, se je znova pojavilo zanimanje za tisto, kar so pred časom poimenovali »miniaturizacija«. Nikoli ni bil sam sebi namen, ampak za ogromno aplikacij se je zdelo zelo priročno zbrati več komponent na enem mestu in jih bolj tesno zapakirati. In potem je mornarica začela projekt o bližinskih varovalkah. Resnično so potrebovali napravo, kjer so vse elektronske komponente sestavljene na kvadratni palčni plošči, nič več. Zapravili so že precej denarja, a nikoli 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 ga lahko uredite tako, da bo zanimiv za vojsko, potem boste praviloma delali brez težave, ker boste imeli financiranje. Res je bilo v tistih daljnih časih, res je tudi zdaj.”

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

»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 znižanja stroškov.

»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. Ustvariti naj bi nekakšno strukturo, zgrajeno iz konstrukcij 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 tem, da sintetizira nekaj iz preprostih elementov in ne poskuša iznajti kompleksnega elementa. Ustvarijo se preprosti elementi vezja: kondenzatorji, upori, ojačevalni elementi, diode itd., Nato pa se iz njih sintetizira zahtevana funkcija. Na splošno je šlo nekaj narobe z molekularnim inženiringom.«

»Sprašujete, ali je bila odločitev za integrirana vezja predvsem marketinška odločitev. Mislim, da ne. Mislim, da večine tovrstnih dosežkov tržniki niso predvideli in jih niso zavestno pripravili. Raje so izhajale iz logike tehnični napredek. Ta čas bi lahko opisali 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. Za vojsko, za civiliste ... Vidite, za vse!