Den första integrerade kretsen. Historien om uppfinningen av den integrerade kretsen. minskning av utrustningskostnaderna

Introduktion

Sedan tillkomsten av de första datorerna har mjukvaruutvecklare drömt om hårdvara utformad för att lösa exakt deras problem. Därför har idén om att skapa speciella integrerade kretsar som kan skräddarsys för att effektivt utföra en specifik uppgift dykt upp under ganska lång tid. Det finns två utvecklingsvägar här:

• Användningen av så kallade specialiserade anpassade integrerade kretsar (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Som namnet antyder tillverkas sådana chips av tillverkare hårdvara skräddarsydda för att effektivt utföra en specifik uppgift eller ett antal uppgifter. De har inte mångsidigheten hos konventionella mikrokretsar, men de löser de uppgifter som tilldelats dem många gånger snabbare, ibland i storleksordningar.
• Skapande av mikrokretsar med omkonfigurerbar arkitektur. Tanken är att sådana chips kommer till utvecklaren eller mjukvaruanvändaren i ett oprogrammerat tillstånd, och han kan implementera den arkitektur som passar honom bäst på dem. Låt oss ta en närmare titt på deras bildningsprocess.

Med tiden dök ett stort antal olika chips upp med omkonfigurerbar arkitektur (Fig. 1).

Fig. 1 Olika chips med omkonfigurerbar arkitektur

Under ganska lång tid fanns det bara PLD-enheter (Programmable Logic Device) på marknaden. Denna klass inkluderar enheter som implementerar de funktioner som krävs för att lösa de tilldelade problemen i form av en perfekt disjunktiv normal form(perfekt DNF). De första som dök upp 1970 var EEPROM-chips, som specifikt tillhör klassen PLD-enheter. Varje krets hade en fast uppsättning OCH-logikfunktioner kopplade till en programmerbar uppsättning ELLER-logikfunktioner. Tänk till exempel på en PROM med 3 ingångar (a, b och c) och 3 utgångar (w, x och y) (Fig. 2).

Ris. 2. PROM-chip

Med hjälp av en fördefinierad AND-matris implementeras alla möjliga konjunktioner över indatavariabler, som sedan kan kombineras godtyckligt med OR-element. Således kan du vid utgången implementera vilken funktion som helst av tre variabler i form av en perfekt DNF. Till exempel, om du programmerar de ELLER-element som är inringade i rött i figur 2, kommer utgångarna att producera funktionerna w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Från början var PROM-chips avsedda att lagra programinstruktioner och konstanta värden, d.v.s. för att utföra datorminnesfunktioner. Men utvecklare använder dem också för att implementera enkla logiska funktioner. I själva verket kan chipets PROM användas för att implementera vilket logiskt block som helst, förutsatt att det har ett litet antal ingångar. Detta villkor följer av det faktum att i EEPROM-mikrokretsar är matrisen av OCH-element strikt definierad - alla möjliga konjunktioner från ingångarna är implementerade i den, det vill säga antalet OCH-element är lika med 2 * 2 n, där n är antal ingångar. Det är tydligt att när antalet n ökar, växer storleken på arrayen mycket snabbt.

Därefter, 1975, dök de så kallade programmerbara logiska arrayerna (PLMs) upp. De är en fortsättning på idén med PROMs av mikrokretsar - PLMs består också av AND- och OR-arrayer, men till skillnad från PROMs är båda arrayerna programmerbara. Detta ger större flexibilitet för sådana chips, men de har aldrig varit vanliga eftersom signaler tar mycket längre tid att färdas genom programmerbara anslutningar än genom deras fördefinierade motsvarigheter.

För att lösa hastighetsproblemet som är inneboende i PLM, dök ytterligare en klass av enheter som kallas programmerbar array logic (PAL) upp i slutet av 1970-talet. En vidareutveckling av idén med PAL-chips var framväxten av GAL-enheter (Generic Array Logic) - mer komplexa varianter av PAL som använder CMOS-transistorer. Idén som används här är exakt motsatsen till idén med PROM-chips - en programmerbar array av AND-element är ansluten till en fördefinierad array av OR-element (fig. 3).

Ris. 3. Oprogrammerad PAL-enhet

Detta innebär en begränsning av funktionaliteten, men sådana enheter kräver betydligt mindre arrayer än i EPROM-chips.

En logisk fortsättning på enkla PLD:er var uppkomsten av så kallade komplexa PLD:er, bestående av flera block av enkla PLD:er (vanligtvis används PAL-enheter som enkla PLD), förenade av en programmerbar kopplingsmatris. Utöver själva PLD-blocken var det också möjligt att programmera anslutningarna mellan dem med hjälp av denna switchmatris. De första komplexa PLD:erna dök upp i slutet av 70-talet och början av 80-talet av 1900-talet, men den huvudsakliga utvecklingen av detta område inträffade 1984, när Altera introducerade en komplex PLD baserad på en kombination av CMOS- och EPROM-teknologier.

Tillkomsten av FPGA

I början av 1980-talet, i den digitala ASIC-miljön, öppnades en klyfta mellan huvudtyperna av enheter. Å ena sidan fanns det PLD:er, som kan programmeras för varje specifik uppgift och är ganska lätta att tillverka, men de kan inte användas för att implementera komplexa funktioner. Å andra sidan finns det ASIC:er som kan implementera extremt komplexa funktioner, men som har en styvt fixerad arkitektur och är tidskrävande och dyra att tillverka. En mellanlänk behövdes, och FPGA-enheter (Field Programmable Gate Arrays) blev en sådan länk.

FPGA, liksom PLD, är programmerbara enheter. Den huvudsakliga grundläggande skillnaden mellan FPGA och PLD är att funktioner i FPGA implementeras inte med DNF, utan med hjälp av programmerbara uppslagstabeller (LUT). I dessa tabeller specificeras funktionsvärdena med hjälp av en sanningstabell, från vilken det önskade resultatet väljs med hjälp av en multiplexer (fig. 4):

Ris. 4. Korrespondenstabell

Varje FPGA-enhet består av programmerbara logiska block (Configurable Logic Blocks - CLBs), som är sammankopplade med anslutningar som också är programmerbara. Varje sådant block är avsett för programmering av en viss funktion eller del av den, men kan användas för andra ändamål, till exempel som minne.

I de första FPGA-enheterna, utvecklade i mitten av 80-talet, var logikblocket mycket enkelt och innehöll en 3-ingångars LUT, en vippa och ett litet antal hjälpelement. Moderna FPGA-enheter är mycket mer komplexa: varje CLB-block består av 1-4 "skivor", som var och en innehåller flera LUT-tabeller (vanligtvis 6-ingångar), flera triggers och ett stort antal serviceelement. Här är ett exempel på en modern "skiva":

Ris. 5. Enheten för ett modernt "snitt"

Slutsats

Eftersom PLD-enheter inte kan implementera komplexa funktioner, fortsätter de att användas för att implementera enkla funktioner i bärbara enheter och kommunikation, medan FPGA-enheter sträcker sig från 1000 grindstorlekar (den första FPGA som utvecklades 1985) det här ögonblicketöverskred gränsen på 10 miljoner gate (Virtex-6-familjen). De utvecklar aktivt och ersätter redan ASIC-chips, vilket möjliggör implementering av en mängd extremt komplexa funktioner utan att förlora möjligheten att programmera om.

Genomförandet av dessa förslag under dessa år kunde inte ske på grund av otillräcklig utveckling av teknik.

I slutet av 1958 och under första halvan av 1959 skedde ett genombrott inom halvledarindustrin. Tre män, som representerade tre privata amerikanska företag, löste tre grundläggande problem som hindrade skapandet av integrerade kretsar. Jack Kilby från Texas instrument patenterade kombinationsprincipen, skapade de första, ofullkomliga, prototyperna av IP och förde dem till massproduktion. Kurt Lehovec från Sprague Electric Company uppfann en metod för att elektriskt isolera komponenter bildade på ett enda halvledarchip (p-n junction isolation). P–n-korsningsisolering)). Robert Noyce från Fairchild Semiconductor uppfunnit ett sätt elektrisk koppling IC-komponenter (aluminiummetallisering) och föreslog en förbättrad version av komponentisolering baserad på den senaste planarteknologin från Jean Herni. Jean Hoerni). Den 27 september 1960 kom Jay Lasts band Jay Last) skapad på Fairchild Semiconductor den första fungerande halvledare IP baserad på idéerna från Noyce och Ernie. Texas instrument, som ägde patentet för Kilbys uppfinning, släpptes lös mot konkurrenter patentkrig, som slutade 1966 med ett världsomspännande avtal om korslicensieringsteknik.

Tidiga logiska IC i den nämnda serien byggdes bokstavligen från standard komponenter vars storlekar och konfigurationer har specificerats teknisk process. Kretsdesigners som designade logiska IC:er av en viss familj arbetade med samma standarddioder och transistorer. Åren 1961-1962 den ledande utvecklaren bröt designparadigmet Sylvania Tom Longo, för första gången med olika IC i en konfigurationer av transistorer beroende på deras funktioner i kretsen. I slutet av 1962 Sylvania lanserade den första familjen av transistor-transistorlogik (TTL) utvecklad av Longo - historiskt sett den första typen av integrerad logik som lyckades få ett långsiktigt fotfäste på marknaden. Inom analoga kretsar gjordes ett genombrott av denna nivå 1964-1965 av utvecklaren av operationsförstärkare Fairchild Bob Widlar.

Den första inhemska mikrokretsen skapades 1961 vid TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) under ledning av L. N. Kolesov. Denna händelse uppmärksammades av landets forskarsamhälle, och TRTI godkändes som ledare i systemet för ministeriet för högre utbildning på problemet med att skapa mycket pålitlig mikroelektronisk utrustning och automatisera dess produktion. L.N. Kolesov själv utsågs till ordförande för samordningsrådet för detta problem.

Den första tjocka hybridfilmen i Sovjetunionen integrerad krets(serie 201 "Trail") utvecklades 1963-65 vid Research Institute of Precision Technology ("Angstrem"), massproduktion sedan 1965. Specialister från NIEM (numera Argon Research Institute) deltog i utvecklingen.

Den första integrerade halvledarkretsen i Sovjetunionen skapades på basis av planteknologi, utvecklad i början av 1960 vid NII-35 (då omdöpt till Pulsar Research Institute) av ett team som senare överfördes till NIIME (Mikron). Skapandet av den första inhemska integrerade kiselkretsen koncentrerades på utveckling och produktion med militär acceptans av TS-100-serien av integrerade kiselkretsar (37 element - motsvarande kretskomplexiteten hos en flip-flop, en analog till den amerikanska IC-serien SN-51 företag Texas instrument). Prototypprover och produktionsprover av integrerade kretsar av kisel för reproduktion erhölls från USA. Arbetet utfördes vid NII-35 (direktör Trutko) och Fryazino Semiconductor Plant (direktör Kolmogorov) för en försvarsorder för användning i en autonom höjdmätare för ett styrsystem för ballistiska missiler. Utvecklingen inkluderade sex standard integrerade plana kiselkretsar i TS-100-serien och, med organisationen av pilotproduktion, tog tre år vid NII-35 (från 1962 till 1965). Det tog ytterligare två år att utveckla fabrikstillverkningen med militär acceptans i Fryazino (1967).

Parallellt utfördes arbetet med utvecklingen av en integrerad krets i den centrala designbyrån vid Voronezh Semiconductor Devices Plant (nu -). 1965, under ett besök i VZPP av ministern för elektronikindustri A.I. Shokin, fick anläggningen i uppdrag att utföra forskningsarbete om skapandet av en monolitisk krets av kisel - FoU "Titan" (Ministeriets order nr 92 daterad den 16 augusti, 1965), som slutfördes före schemat som slutförts i slutet av året. Ämnet lämnades framgångsrikt in till statskommissionen, och en serie av 104 diod-transistorlogiska mikrokretsar blev den första fasta prestationen inom området solid state mikroelektronik, vilket återspeglades i MEP order nr 403 daterad 30 december 1965.

Designnivåer

För närvarande (2014) är de flesta integrerade kretsar designade med hjälp av specialiserade CAD-system, som gör det möjligt att automatisera och avsevärt påskynda produktionsprocesser, till exempel att erhålla topologiska fotomasker.

Klassificering

Grad av integration

Beroende på graden av integration används följande namn på integrerade kretsar:

• liten integrerad krets (MIS) - upp till 100 element per chip,
• medium integrerad krets (SIS) - upp till 1000 element per chip,
• stor integrerad krets (LSI) - upp till 10 tusen element per chip,
• ultra-storskalig integrerad krets (VLSI) - mer än 10 tusen element i en kristall.

Tidigare användes även nu föråldrade namn: ultra-storskalig integrerad krets (ULSI) - från 1-10 miljoner till 1 miljard element i en kristall och ibland giga-storskalig integrerad krets (GBIC) - mer än 1 miljarder element i en kristall. För närvarande, på 2010-talet, används praktiskt taget inte namnen "UBIS" och "GBIS", och alla mikrokretsar med mer än 10 tusen element klassificeras som VLSI.

Tillverkningsteknik

Hybridmikroenhet STK403-090, borttagen från höljet

• Halvledarchip - alla element och anslutningar mellan element är gjorda på en halvledarkristall (till exempel kisel, germanium, galliumarsenid).

• Filmintegrerad krets - alla element och anslutningar mellan element är gjorda i form av filmer:
  • tjock film integrerad krets;
  • tunnfilm integrerad krets.
• Hybridchip (ofta kallat mikromontering), innehåller flera dioder, transistorer och/eller andra elektroniska aktiva komponenter. Mikroaggregatet kan också innefatta oförpackade integrerade kretsar. Passiva mikrosammansättningskomponenter (motstånd, kondensatorer, induktorer) tillverkas vanligtvis med tunnfilms- eller tjockfilmsteknologier på ett vanligt, vanligtvis keramiskt, hybridchipsubstrat. Hela substratet med komponenter placeras i ett enda förseglat hölje.
• Blandad mikrokrets - förutom halvledarkristallen innehåller den passiva element av tunnfilm (tjockfilm) placerade på kristallens yta.

Typ av bearbetad signal

• Analog-digital.

Tillverkningsteknik

Typer av logik

Huvudelementet i analoga mikrokretsar är transistorer (bipolär eller fälteffekt). Skillnaden i transistortillverkningsteknik påverkar avsevärt egenskaperna hos mikrokretsar. Därför anges ofta tillverkningstekniken i beskrivningen av mikrokretsen för att betona generella egenskaper egenskaper och möjligheter hos mikrokretsen. I modern teknik kombinera bipolär och fälteffekttransistorer för att uppnå förbättrad prestanda hos mikrokretsar.

• Mikrokretsar baserade på unipolära (fälteffekt) transistorer är de mest ekonomiska (när det gäller strömförbrukning):
  • MOS-logik (metall-oxid-halvledarlogik) - mikrokretsar bildas av fälteffekttransistorer n-MOS eller sid-MOS-typ;
  • CMOS-logik (komplementär MOS-logik) - var och en logiskt element Mikrokretsen består av ett par komplementära (komplementära) fälteffekttransistorer ( n-MOS och sid-MOPP).
• Mikrokretsar baserade på bipolära transistorer:
  • RTL - resistor-transistor logik (föråldrad, ersatt av TTL);
  • DTL - diod-transistorlogik (föråldrad, ersatt av TTL);
  • TTL - transistor-transistor logik - mikrokretsar är gjorda av bipolära transistorer med multi-emitter transistorer vid ingången;
  • TTLSh - transistor-transistor-logik med Schottky-dioder - en förbättrad TTL som använder bipolära transistorer med Schottky-effekten;
  • ECL - emitterkopplad logik - på bipolära transistorer, vars driftsläge är valt så att de inte går in i mättnadsläget - vilket avsevärt ökar prestandan;
  • IIL - integral injektionslogik.
• Mikrokretsar som använder både fälteffekt- och bipolära transistorer:

Med samma typ av transistorer kan chips skapas med olika metoder, såsom statiska eller dynamiska.

CMOS och TTL (TTLS) teknologier är de vanligaste logikchipsen. Där det är nödvändigt att spara på strömförbrukningen används CMOS-teknik, där hastigheten är viktigare och besparingar på strömförbrukningen inte krävs används TTL-teknik. Den svaga punkten med CMOS-mikrokretsar är deras sårbarhet för statisk elektricitet - rör bara vid mikrokretsens utgång med handen, och dess integritet garanteras inte längre. Med utvecklingen av TTL- och CMOS-teknologier närmar sig parametrarna för mikrokretsar och som ett resultat görs till exempel 1564-serien av mikrokretsar med CMOS-teknik, och funktionaliteten och placeringen i höljet liknar TTL-tekniken.

Mikrokretsar tillverkade med ESL-teknik är de snabbaste, men också de mest energikrävande, och användes i produktionen datateknik i de fall där den viktigaste parametern var beräkningshastigheten. I Sovjetunionen tillverkades de mest produktiva datorerna av typen ES106x på ESL-mikrokretsar. Nuförtiden används denna teknik sällan.

Teknologisk process

Vid tillverkning av mikrokretsar används metoden för fotolitografi (projektion, kontakt, etc.), där kretsen bildas på ett substrat (vanligtvis kisel) som erhålls genom att skära enkristaller av kisel med diamantskivor till tunna skivor. På grund av de små linjära dimensionerna hos mikrokretselement övergavs användningen av synligt ljus och till och med nära ultraviolett strålning för belysning.

Följande processorer tillverkades med användning av UV-ljus (ArF excimerlaser, våglängd 193 nm). I genomsnitt introducerade industriledare nya tekniska processer enligt ITRS-planen vartannat år, vilket fördubblade antalet transistorer per ytenhet: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), produktion av 14 nm startade under 2014 förväntas utvecklingen av 10 nm-processer runt 2018.

Under 2015 fanns det uppskattningar om att införandet av nya tekniska processer skulle sakta ner.

Kvalitetskontroll

För att kontrollera kvaliteten på integrerade kretsar används så kallade teststrukturer i stor utsträckning.

Syfte

En integrerad krets kan ha fullständig, oavsett hur komplex, funktionalitet - upp till en hel mikrodator (single-chip mikrodator).

Analoga kretsar

Analog integrerad (mikro)schema (AIS, MÅL) - en integrerad krets vars in- och utsignaler varierar enligt lagen för en kontinuerlig funktion (det vill säga de är analoga signaler).

En laboratorieprototyp av en analog IC skapades av Texas Instruments i USA 1958. Det var en fasförskjutningsgenerator. 1962 dök den första serien av analoga mikrokretsar upp - SN52. Den innehöll en lågfrekvent lågfrekvent förstärkare, en operationsförstärkare och en videoförstärkare.

I Sovjetunionen erhölls ett stort utbud av analoga integrerade kretsar i slutet av 1970-talet. Deras användning har gjort det möjligt att öka tillförlitligheten hos enheter, förenkla utrustningsinstallationen och ofta till och med eliminera behovet Underhåll Under operationen.

Nedan finns en ofullständig lista över enheter vars funktioner kan utföras av analoga IC:er. Ofta ersätter en mikrokrets flera av dem på en gång (till exempel innehåller K174XA42 alla komponenterna i en superheterodyne FM-radiomottagare).

• Filter (inklusive piezoelektrisk effekt).
• Analoga multiplikatorer.
• Analoga dämpare och variabla förstärkare.
• Strömförsörjningsstabilisatorer: spännings- och strömstabilisatorer.
• Omkoppling av strömförsörjningskontrollmikrokretsar.
• Signalomvandlare.
• Olika sensorer.

Analoga mikrokretsar används i ljudförstärknings- och ljudåtergivningsutrustning, videobandspelare, tv-apparater, kommunikationsutrustning, mätinstrument, analoga datorer, etc.

I analoga datorer

• Operationsförstärkare (LM101, μA741).

I strömförsörjning

Spänningsstabilisatorchip KR1170EN8

• Linjära spänningsstabilisatorer (KR1170EN12, LM317).
• Omkopplingsspänningsstabilisatorer (LM2596, LM2663).

I videokameror och kameror

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

I ljudförstärknings- och ljudåtergivningsutrustning

• Ljudfrekvenseffektförstärkare (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Dubbel UMZCH för stereofonisk utrustning (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Olika regulatorer (K174UN10 - tvåkanalig UMZCH med elektronisk justering av frekvensgången, K174UN12 - tvåkanalig volym- och balanskontroll).

I mätinstrument I radiosändande och mottagande enheter

• AM-signaldetektorer (K175DA1).
• FM-signaldetektorer (K174UR7).
• Blandare (K174PS1).
• Högfrekventa förstärkare (K157ХА1).
• Mellanfrekvensförstärkare (K157ХА2, K171UR1).
• Enkelchips radiomottagare (K174ХА10).

På tv-apparater

• I radiokanalen (K174UR8 - förstärkare med AGC, IF bild- och ljuddetektor, K174UR2 - IF bildspänningsförstärkare, synkrondetektor, förförstärkare videosignal, nyckelautomatiskt förstärkningskontrollsystem).
• I kromaticitetskanalen (K174AF5 - formgivare av färg R-, G-, B-signaler, K174ХА8 - elektronisk switch, förstärkare-begränsare och demodulator av färginformationssignaler).
• I skanningsenheter (K174GL1 - frame scanning generator).
• Vid omkoppling, synkronisering, korrigering och styrkretsar (K174AF1 - amplitudsynksignalväljare, horisontell frekvenspulsgenerator, enhet för automatisk frekvens- och fasjustering av signalen, horisontell masterpulsgenerator, K174UP1 - ljusstyrkesignalförstärkare, elektronisk regulator utsignalsvängning och svartnivå).

Produktion

Övergången till submikronstorlekar av integrerade element komplicerar utformningen av AIMS. Till exempel har MOS-transistorer med en kort grindlängd ett antal funktioner som begränsar deras användning i analoga block: hög nivå av lågfrekvent flimmerbrus; en stark spridning av tröskelspänning och lutning, vilket leder till uppkomsten av en stor förspänning av differential- och operationsförstärkare; lågt värde på utgående liten signalmotstånd och förstärkning av kaskader med aktiv belastning; låg genombrottsspänning för p-n-övergångar och drain-source gap, vilket orsakar en minskning av matningsspänningen och en minskning dynamiskt omfång.

För närvarande produceras analoga mikrokretsar av många företag: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, etc.

Digitala kretsar

Digital integrerad krets(digital mikrokrets) är en integrerad krets designad för att omvandla och bearbeta signaler som ändras enligt lagen för en diskret funktion.

Digitala integrerade kretsar är baserade på transistoromkopplare som kan vara i två stabila tillstånd: öppen och stängd. Användningen av transistoromkopplare gör det möjligt att skapa olika logiska, trigger- och andra integrerade kretsar. Digitala integrerade kretsar används i diskreta informationsbehandlingsenheter för elektroniska datorer (datorer), automationssystem etc.

• Buffertkonverterare
• (mikro)processorer (inklusive processorer för datorer)
• Chips och minnesmoduler
• FPGA (programmerbara logiska integrerade kretsar)

Digitala integrerade kretsar har ett antal fördelar jämfört med analoga:

• Minskad strömförbrukning i samband med användningen av pulsade elektriska signaler i digital elektronik. Vid mottagning och omvandling av sådana signaler fungerar de aktiva delarna av elektroniska enheter (transistorer) i "nyckel" -läge, det vill säga transistorn är antingen "öppen" - vilket motsvarar en högnivåsignal (1) eller "stängd" ” - (0), i det första fallet vid Det finns inget spänningsfall i transistorn, i det andra går det ingen ström genom den. I båda fallen är strömförbrukningen nära 0, till skillnad från analoga enheter, där transistorerna för det mesta är i ett mellanliggande (aktivt) tillstånd.
• Hög bullerimmunitet digitala enheter är förknippade med en stor skillnad mellan signaler med hög (till exempel 2,5-5 V) och låg (0-0,5 V) nivå. Ett tillståndsfel är möjligt vid en sådan störningsnivå att en hög nivå tolkas som en låg nivå och vice versa, vilket är osannolikt. Dessutom i digitala enheter Det är möjligt att använda speciella koder för att rätta till fel.
• Den stora skillnaden i nivåerna av hög- och lågnivåsignaltillstånd (logisk "0" och "1") och ett ganska brett spektrum av deras tillåtna förändringar gör digital teknik okänslig för den oundvikliga spridningen av elementparametrar i integrerad teknik, eliminerar behovet av att välja komponenter och konfigurera justeringselement i digitala enheter.

Analog-till-digitala kretsar

Analog-till-digital integrerad krets(analog-till-digital mikrokrets) - en integrerad krets utformad för att omvandla signaler som varierar enligt lagen för en diskret funktion till signaler som varierar enligt lagen för en kontinuerlig funktion, och vice versa.

Ofta utför ett chip funktionerna för flera enheter samtidigt (till exempel innehåller successiva approximations-ADC en DAC, så att de kan utföra tvåvägskonverteringar). Lista över enheter (ofullständiga) vars funktioner kan utföras av analog-till-digitala IC:er:

• digital-till-analog (DAC) och analog-till-digital-omvandlare (ADC);
• analoga multiplexorer (medan digitala (de)multiplexrar är rent digitala IC:er, innehåller analoga multiplexorer digitala logiska element (vanligtvis en avkodare) och kan innehålla analoga kretsar);
• transceivrar (till exempel nätverksgränssnittstransceiver Ethernet);
• modulatorer och demodulatorer;
  • radiomodem;
  • text-TV, VHF-radiotextavkodare;
  • Snabb Ethernet och optiska linjesändtagare;
  • Ringa upp modem;
  • digitala TV-mottagare;
  • optisk datormussensor;
• strömförsörjningsmikrokretsar för elektroniska enheter - stabilisatorer, spänningsomvandlare, strömbrytare, etc.;
• digitala dämpare;
• faslåsta kretsar (PLL);
• generatorer och frekvensåterställare för klocksynkronisering;
• grundläggande matriskristaller (BMC): innehåller både analoga och digitala kretsar.

Chip-serien

Analoga och digitala mikrokretsar tillverkas i serie. En serie är en grupp mikrokretsar som har en enda design och teknisk design och är avsedda för gemensam användning. Mikrokretsar av samma serie har som regel samma strömförsörjningsspänningar och matchas när det gäller ingångs- och utgångsresistanser och signalnivåer.

Bostäder

Ytmonterade IC-paket

Mikromontering med en mikrokrets med öppen ram svetsad på ett kretskort

Specifika namn

Världsmarknaden

2017 värderades den globala marknaden för integrerade kretsar till 700 miljarder dollar.

Den 12 september 1958 visade Texas Instruments (TI) medarbetare Jack Kilby för ledningen en märklig anordning - en anordning gjord av två kiselbitar med måtten 11,1 x 1,6 mm limmade med bivax på ett glassubstrat. Det var en tredimensionell mock-up - en prototyp av en integrerad krets (IC) av en generator, som bevisade möjligheten att tillverka alla kretselement baserade på ett halvledarmaterial. Detta datum firas i elektronikens historia som födelsedagen för integrerade kretsar.

Integrerade kretsar (chips, IC) inkluderar elektroniska apparater av varierande komplexitet, där alla liknande element tillverkas samtidigt i en enda teknisk cykel, dvs. med hjälp av integrerad teknik. Till skillnad från tryckta kretskort(där alla anslutningsledare tillverkas samtidigt i en enda cykel med hjälp av integrerad teknik), motstånd, kondensatorer, dioder och transistorer bildas på liknande sätt i IC. Dessutom tillverkas många IC:er samtidigt, från tiotals till tusentals

Tidigare särskiljdes två grupper av IC:er: hybrid och halvledare

I hybrid-IC (HIC) är alla ledare och passiva element bildade på ytan av ett mikrokretssubstrat (vanligtvis keramiskt) med hjälp av integrerad teknik. Aktiva element i form av paketerade dioder, transistorer och halvledar-IC-kristaller installeras på substratet individuellt, manuellt eller automatiskt

I halvledar-IC:er bildas anslutande, passiva och aktiva element i en enda teknisk cykel på ytan av halvledarmaterialet med partiell invasion av dess volym med användning av diffusionsmetoder. Samtidigt tillverkas från flera tiotal till flera tusen IC på en halvledarskiva

De första hybrid-IC:erna.

GIS är en produkt av den evolutionära utvecklingen av mikromoduler och monteringsteknik för keramiska skivor. Därför verkade de obemärkta, det finns inget allmänt accepterat födelsedatum för GIS och ingen allmänt erkänd författare.

Halvledar-IC:er var ett naturligt och oundvikligt resultat av utvecklingen av halvledarteknologi, men de krävde generering av nya idéer och skapande av ny teknik, som har både sina födelsedatum och sina författare

De första hybrid- och halvledar-IC:erna dök upp i Sovjetunionen och USA nästan samtidigt och oberoende av varandra

Redan i slutet av 1940-talet utvecklade Centralab-företaget i USA de grundläggande principerna för tillverkning av tjockfilms keramiska kretskort

Och i början av 1950-talet uppfann RCA-företaget tunnfilmsteknologi: genom att spraya olika material i vakuum och deponera dem genom en mask på speciella substrat, lärde de sig hur man samtidigt producerar många miniatyrfilmsanslutningsledare, motstånd och kondensatorer på en enda keramiskt underlag

Jämfört med tjockfilmsteknik gav tunnfilmsteknik möjligheten till mer exakt tillverkning av mindre topologielement, men krävde mer komplex och dyrbar utrustning. Enheter tillverkade på keramiska skivor med tjockfilms- eller tunnfilmsteknik kallas "hybridkretsar".

Men mikromodulen blev en hybrid integrerad krets i det ögonblick då oförpackade transistorer och dioder användes i den och strukturen förseglades i ett gemensamt hölje

I USSR

De första GIS-modulerna (moduler av typen "Kvant", senare benämnd IS-serie 116) i Sovjetunionen utvecklades 1963 vid NIIRE (senare NPO Leninets, Leningrad) och samma år började dess pilotanläggning sin serieproduktion. I dessa GIS användes halvledar-IC:er "R12-2", utvecklade 1962 av Riga Semiconductor Devices Plant, som aktiva element

Utan tvekan var Kvant-modulerna de första i GIS-världen med tvånivåintegration - de använde halvledar-IC:er snarare än diskreta paketerade transistorer som aktiva element

I USA

Utseendet på tjockfilms-GIS, som huvudelementbasen i den nya IBM System / 360-datorn, tillkännagavs först av IBM 1964

Halvledarkretsar i "Micrologic"-serien från Fairchild och "SN-51" från TI var fortfarande otillgängligt sällsynta och oöverkomligt dyra för kommersiellt bruk, och byggde en stor dator. Därför tog IBM Corporation designen av en platt mikromodul som grund, utvecklat sin serie av tjockfilms-GIS, tillkännagav under det allmänna namnet (i motsats till "mikromoduler") är "SLT-moduler" (Solid Logic Technology - solid logic technology. Vanligtvis översätts ordet "solid" till ryska som "solid" ”, vilket är helt ologiskt. I själva verket introducerades termen “SLT-moduler” av IBM som en kontrast till termen “mikromodul” och borde återspegla deras skillnad. Ordet “solid” har andra betydelser – “solid”, “ helhet", som framgångsrikt betonar skillnaden mellan "SLT-moduler" och "mikromoduler"

SLT-modulen var en kvadratisk keramisk tjockfilmsmikroplatta med inpressade vertikala stift. Anslutningsledare och motstånd applicerades på dess yta med silkscreentryck och oförpackade transistorer installerades. Kondensatorer installerades vid behov bredvid SLT-modulen

Även om externt nästan identiska (mikromoduler är något högre), skiljer sig SLT-moduler från platta mikromoduler genom sin högre täthet av element, låg strömförbrukning, hög prestanda och hög tillförlitlighet

Dessutom var SLT-tekniken ganska lätt att automatisera, så de kunde produceras till en tillräckligt låg kostnad för användning i kommersiell utrustning. Detta är precis vad IBM behövde. Efter IBM började andra företag producera GIS, för vilket GIS blev en kommersiell produkt.

I början av februari 2014, femtiofemårsdagen av uppkomsten i världssamfundet av en sådan integrerad del av modern kretsteknik som den integrerade kretsen.

Vi påminner er om att 1959 utfärdade Federal Patent Office i USA ett patent till Texas Instruments för att skapa en integrerad krets.

Denna händelse noterades som födelsen av elektronikeran och alla fördelar som uppstår med användningen av den.

Faktum är att den integrerade kretsen är grunden för de flesta elektriska apparater som vi känner till.

Idén om att skapa en integrerad krets dök upp först i början av femtiotalet av förra seklet. Huvudargumentet för dess utseende var miniatyriseringen och minskningen av kostnaderna för elektriska apparater. Under lång tid var tankar om dess genomförande helt enkelt i luften, trots att grenar av kretsteknik som TV och radio, såväl som datorteknik, aktivt utvecklades i världen.

Skapandet av en integrerad krets innebar att onödiga ledningar, monteringspaneler och isolering övergavs vid tillverkning av kretsar med dioder och halvledartransistorer. Men under lång tid lyckades ingen förverkliga sådana tankar. Först efter det aktiva arbetet av en så begåvad och välkänd ingenjör för moderna vetenskapsmän som Jack Kilby (vinnare av Nobelpriset i fysik för uppfinningen av den integrerade kretsen 2000), presenterades den första mikrokretsen 1958. Nästan ett halvår senare patenterades uppfinningen av företaget som Kilby arbetade för (Texas Instruments).

Naturligtvis kan vi nu konstatera det faktum att den första mikrokretsen av den tyske forskaren Kilby var helt oanvändbar. Men fler och fler senare integrerade kretsar skapades på grundval av den, varav en var Robert Noyces teknologi - ett kiselplanärt chip.

R. Noyce hade en hög position på Fairchald Semiconductor, närmare bestämt var han en av dess grundare. Noyces verk patenterades nästan omedelbart efter att Kilbys patent mottogs. Men till skillnad från Kilbys chip har Noyces utveckling vunnit popularitet bland stora tillverkare av elektrisk utrustning. Detta orsakade en tvist mellan Texas Instruments och Fairchald Semiconductor och efterföljande rättstvister fram till 1969. Som ett resultat utsågs Noyce till den första uppfinnaren av mikrokretsar. Även om detta sammanträffande av omständigheter inte upprörde ägarna till båda företagen alls. Några år tidigare kom de till ett enhälligt beslut och erkände båda forskarna som grundarna av den integrerade kretsen med lika rättigheter, vilket gav dem de högsta utmärkelserna från de amerikanska vetenskaps- och ingenjörsgemenskaperna - National Medal of Science och National Medal of Technology .

Om du gräver djupt i det förflutna kan du med tillförsikt säga att innan Noyce och Kilby introducerade mikrokretsen för världen, arbetade ett ganska stort antal forskare på denna idé och föreslog inte mindre avancerade konstruktioner. Bland dem finns ingenjören Werner Jacobi (Tyskland). Hans utveckling patenterades till och med 1949. I patentet skissade ingenjören utformningen av en mikrokrets bestående av 5 transistorer på ett gemensamt substrat. Senare, 1952, beskrevs principen att integrera kretskomponenter i en enda enhet av den engelske ingenjören D. Dammer. Efter ytterligare fem år tillkännagav Jeffrey Dummer det första fungerande exemplet på en integrerad krets-flip-flop baserad på fyra transistorer. Tyvärr uppskattade engelska militärspecialister inte Dummers uppfinning, även om de borde ha gjort det. Som ett resultat avbröts allt forskarens arbete. Senare kallades Dummers uppfinning förfadern till moderna mikrokretsar, och vetenskapsmannen själv kallades profeten för den integrerade kretsen.

1957 accepterade USA en ansökan från en annan ingenjör, Bernard Oliver, om patent på den teknologi han beskrev för att producera ett monolitiskt block med hjälp av tre plana transistorer.

Bland namnen på profeterna i den moderna mikrokretsen är initialerna för ingenjören Harvick Johnson, som patenterade flera typer av att skapa elektroniska komponenter av kretsar på ett chip, men aldrig fick ett enda dokument som tillåter genomförandet av hans upptäckter. En av dessa metoder användes av Jack Kilby, som fick alla Johnsons lagrar.

6 februari 1959, för exakt 55 år sedan, US Federal Patent Office har utfärdat ett patent för uppfinningen av en integrerad krets till Texas Instruments. Således erkändes teknikens födelse officiellt, utan vilken vi idag inte skulle ha till hands den stora majoriteten av de elektroniska enheter vi är bekanta med och de möjligheter som är förknippade med dem.

Idén om en integrerad krets i slutet av 50-talet, som de säger, låg i luften. Transistorn har redan skapats; snabbt utvecklande av radio- och tv-kretsar, för att inte tala om datorteknik, krävde att man hittade lösningar för miniatyrisering; Konsumentmarknaden behövde billigare utrustning. Idén att kasta ut allt överflödigt från en krets med halvledartransistorer och dioder (monteringspaneler, ledningar, höljen och isolatorer), samla dess essens i en "tegelsten" - n-p-övergångar - måste oundvikligen komma till någons sinne.

Och så blev det. Hon har kommit. Dessutom flera begåvade ingenjörer på en gång, men bara en av dem anses idag vara "den integrerade kretsens fader" - Jack Kilby, anställd på Texas Instruments, som tilldelades Nobelpriset i fysik 2000 för uppfinningen av den integrerade kretsen. Den 24 juli 1958 skrev han ner idén om en ny enhet i sin arbetsdagbok; den 12 september demonstrerade han ett fungerande prov av mikrokretsen, förberedde och ansökte om ett patent och fick det den 6 februari 1959 .

I rättvisans namn bör det erkännas att designen av Kilby germaniumchipet praktiskt taget var olämpligt för industriell utveckling, vilket inte kan sägas om det plana kiselchipset som utvecklats av Robert Noyce.

Robert Noyce, som arbetade på Fairchald Semiconductor (han var en av grundarna av detta företag), nästan samtidigt och oberoende av Kilby, utvecklade sin egen version av den integrerade kretsdesignen, patenterade den och... kastade Texas Instruments och Fairchald Semiconductor in i ett kontinuerligt patentkrig i 10 år, som avslutades Den 6 november 1969 fattades beslutet från US Patent and Customs Court of Appeals, enligt vilket den enda uppfinnaren av mikrokretsen skulle anses... Robert Noyce! USA:s högsta domstol bekräftade detta beslut.

Men redan innan domstolens dom, 1966, kom företagen överens om att erkänna varandra som lika rättigheter till den integrerade kretsen, och båda uppfinnarna, Kilby och Noyce, tilldelades samma högsta utmärkelser från de amerikanska vetenskaps- och ingenjörssamfunden: National Medal of Science och National Medal of Technology.

Men det fanns andra som mycket tidigare än Kilby och Noyce formulerade designprincipen och till och med patenterade en integrerad krets. Den tyske ingenjören Werner Jacobi ritar i sitt patent från 1949 designen av en mikrokrets med 5 transistorer på ett gemensamt substrat. Den 7 maj 1952 beskrev den engelske radioingenjören Geoffrey Dummer principen att integrera kretskomponenter till en enda enhet i sitt offentliga tal vid ett symposium om elektroniska komponenter i Washington (Jack Kilby var för övrigt också närvarande vid detta symposium); 1957 presenterade han ett fungerande exempel på världens första integrerade kretstrigger med 4 transistorer. Specialister från den brittiska militäravdelningen förstod inte den nya produkten och uppskattade inte dess potential. Arbetet stängdes. Därefter kallades Dummer "den integrerade kretsens profet" i sitt hemland; han blev inbjuden att delta i många nationella och internationella projekt för utveckling av elektronisk teknik.

I USA i oktober samma år lämnade Bernard Oliver in en patentansökan, som beskrev en metod för att tillverka ett monolitiskt block av tre plana transistorer. Den 21 maj 1953 lämnade ingenjören Harvick Johnson ett förslag på flera sätt att bilda en mängd olika elektroniska kretskomponenter på ett enda chip. Det är lustigt att ett av alternativen som Johnson föreslog implementerades och patenterades oberoende av Jack Kilby 6 år senare. Fantastisk!

Detaljerade biografier om alla uppfinnarna av den integrerade kretsen, beskrivningar av händelserna och omständigheterna i den stora, vågar jag säga det, uppfinning kan lätt hittas av vem som helst idag: allt detta finns på Internet. På födelsedagen för mikrokretsen skulle jag vilja "ge ordet" till alla tre: Jeffrey Dummer, Jack Kilby och Robert Noyce. Vid olika tillfällen i intervjuer delade de med sig av minnen av "hur det var", sina tankar och erfarenheter. Jag valde några ordspråk som jag tyckte var intressanta...

Jeffrey Dummer:
"Med tillkomsten av transistorn och arbetet med halvledare i allmänhet verkar det idag som att frågan om att skapa elektronisk utrustning i form av ett massivt block utan några anslutningsledningar kan tas upp. Detta block kan bestå av lager av isolerande, ledande, likriktande och signalförstärkande material. Att definiera komponenternas elektroniska funktioner och ansluta dem korrekt kan göras genom att skära ut sektioner av enskilda lager."
"I en av mina böcker förklarade jag orsaken till mitt misslyckande som stor trötthet från ändlösa byråkratiska krig, men kanske är detta inte den enda anledningen. Faktum är att ingen ville ta risker. Krigsdepartementet kommer inte att ingå något kontrakt för en anordning som inte har förts till en industriell standard. Vissa utvecklare ville inte ta på sig en uppgift som var okänd för dem. Det är en situation med kyckling och ägg. Amerikaner är finansiella äventyrare, och i detta land (som betyder England. - Yu.R.) allt går för långsamt.”

Jack Kilby:
"Efter att transistorn kom till platsen fanns ett förnyat intresse för det som för en tid sedan började kallas "miniatyrisering." Det var aldrig ett självändamål, men för ett stort antal applikationer verkade det väldigt bekvämt att samla fler komponenter på ett ställe och packa dem tätt. Och så startade marinen ett projekt om närhetssäkringar. De behövde verkligen en enhet där alla elektroniska komponenter satts ihop på en platta på högst en kvadrattum. De hade redan spenderat en hel del pengar, men ändå inte fått vad de ville... Transistorn löste alla problem. I allmänhet, då och nu, om du har en ny produkt och den är av intresse för militären, eller om du kan ordna den på ett sådant sätt att den kommer att vara av intresse för militären, så har du som regel inga problem att arbeta eftersom du kommer att ha finansiering. Detta var sant i dessa avlägsna tider, och det är sant nu.”

”Det främsta motivet för att arbeta på en integrerad krets var att minska kostnaderna för att producera utrustning. Det är sant att jag vid den tiden inte riktigt föreställde mig omfattningen av den möjliga kostnadsminskningen och hur mycket billighetsfaktorn skulle utöka användningsområdet för elektronik inom helt andra områden. 1958 kostade en enda kiseltransistor, som inte heller sålde särskilt bra, cirka 10 dollar. Idag kan 10 dollar köpa mer än 100 miljoner transistorer. Jag kunde inte ha förutsett detta. Och jag är säker på att ingen föreställde sig att detta var möjligt."

”Vi började utveckla den första mikrokalkylatorn (bilden) för att utöka marknaden för integrerade kretsar: massmarknaden är viktig för dem. Vi sålde de första miniräknarna för 500 USD, idag säljs de för 4–5 USD och har blivit en engångsprodukt. Det här handlar om frågan om billigare priser.”

"Är uppfinningen av den integrerade kretsen min största prestation i livet? Åh, definitivt!..."

Robert Noyce:
"På Fairchild började vi arbeta på ett ingenjörsprojekt som militären kallade "molekylär ingenjörskonst." Det finansierades av flygvapnet. Man antog att vi skulle skapa någon form av struktur, byggd av molekyl-på-molekyl eller till och med atom-på-atom strukturer. Och en sådan struktur bör utföra funktionerna hos en elektronisk enhet. Detta var inte precis vår profil, eftersom elektronikindustrins styrka alltid har legat i att syntetisera något från enkla element, snarare än att försöka uppfinna ett komplext element. Enkla kretselement skapas: kondensatorer, motstånd, förstärkarelement, dioder, etc., och sedan syntetiseras den nödvändiga funktionen från dem. I grund och botten har något gått fel med molekylär ingenjörskonst.”

"Du frågar om det främst var ett marknadsföringsbeslut att komma in i integrerade kretsar. Jag tror inte det. Jag tror att de flesta framsteg av detta slag inte förutspåddes av marknadsförare och förbereddes inte medvetet av dem. De uppstod snarare ur logiken tekniska framsteg. Den tiden kunde karakteriseras på följande sätt: ”Nu kan vi göra det här. Varför försöker du inte sälja den?” Och idag kommer någon från marknadsföringen och säger: "Om vi ​​hade den här, skulle vi kunna sälja den." Känner du var skillnaden är? När det gäller den integrerade kretsen var det mest spännande känslan av att det fanns ett behov av denna enhet. Alla har. Militären, de civila... Ni förstår, alla!”