Перша інтегральна мікросхема. Історія винаходи інтегральної схеми. зниження вартості апаратури

Вступ

З моменту появи перших комп'ютерів розробники програм мріяли про апаратуру, призначену для вирішення саме їхнього завдання. Тому вже давно з'явилася ідея створення спеціальних інтегральних схем, які можна заточувати під ефективне виконання конкретного завдання. Тут можна виділити два шляхи розвитку:

• Використання про спеціалізованих замовних інтегральних мікросхем (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Як випливає з назви, такі мікросхеми виконуються виробниками апаратного забезпеченняна замовлення для ефективного виконання деякої конкретної задачі або кола завдань. Вони не мають універсальності, як звичайні мікросхеми, однак у багато разів швидше, іноді на порядки, вирішують поставлені перед ними завдання.
• Створення мікросхем з архітектурою, що реконфігурується. Ідея полягає в тому, що такі мікросхеми надходять до розробника або користувача ПЗ у незапрограмованому стані, і той може реалізувати на них ту архітектуру, яка найбільше йому підходить. Розглянемо докладніше їх процес становлення.

Згодом з'являлася велика кількість різноманітних мікросхем з архітектурою, що реконфігурується (Рис. 1).

Рис.1 Різноманітність мікросхем з архітектурою, що реконфігурується.

Протягом досить довго на ринку існували тільки PLD (Programmable Logic Device) пристрої. У цей клас виділяються пристрої, які реалізують функції, необхідні для вирішення поставлених завдань, у вигляді досконалої диз'юнктивної нормальної форми(досконалої ДНФ). Першими у 1970 році з'явилися ППЗУ-мікросхеми, які відносяться якраз до класу PLD-пристроїв. Кожна схема мала фіксований масив логічних функцій І, приєднаний до програмованого набору логічних функцій АБО. Для прикладу розглянемо ППЗУ з 3 входами (a, b та с) та 3 виходами (w, x та y) (Рис. 2).

Мал. 2. ППЗУ-мікросхема

З допомогою зумовленого масиву І реалізуються всі можливі кон'юнкції над вхідними змінними, які можуть бути довільним чином об'єднані за допомогою АБО елементів. Таким чином, на виході можна реалізувати будь-яку функцію від трьох змінних у вигляді досконалої ДНФ. Наприклад, якщо запрограмувати ті елементи АБО, які обведені в червоний кружок малюнку 2, то виходах вийдуть функції w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Спочатку мікросхеми ППЗУ призначалися зберігання програмних інструкцій і значень констант, тобто. виконання функцій комп'ютерної пам'яті. Однак розробники використовують їх для реалізації простих логічних функцій. Насправді ППЗУ мікросхеми можна використовувати для реалізації будь-якого логічного блоку за умови, що він має невелику кількість входів. Ця умова випливає з того факту, що в ППЗУ мікросхемах жорстко визначено матрицю елементів І - в ній реалізуються всі можливі кон'юнкції від входів, тобто число елементів І дорівнює 2 * 2 n де n - число входів. Зрозуміло, що зі збільшенням числа n розмір масиву зростає дуже швидко.

Наступними в 1975 з'явилися так звані програмовані логічні матриці (ПЛМ). Вони є продовженням ідеї ППЗУ мікросхем - ПЛМ також складаються з І та АБО масивів, проте на відміну від ППЗУ обидва програмовані масиви. Це забезпечує більшу гнучкість таких мікросхем, проте вони ніколи не були поширені з тієї причини, що для пригоди через програмовані зв'язки сигналів потрібно набагато більше часу, ніж при проходженні через їх зумовлені аналоги.

Щоб вирішити проблему швидкості, властиву ПЛМ, наприкінці 1970-х з'явився наступний клас пристроїв, званий програмований масив логіки (PAL - Programmable Array Logic). Подальшим розвитком ідеї PAL-мікросхем стала поява пристроїв GAL (Generic Array Logic) – складніших різновидів PAL з використанням КМОП-транзисторів. Тут використовується ідея, що протилежна ідеї ППЗУ-мікросхем - програмований масив елементів І підключається до зумовленого масиву елементів АБО (Рис. 3).

Мал. 3. Незапрограмований пристрій PAL

Це накладає обмеження за функціональністю, однак у таких пристроях потрібні масиви значно меншого розміру, ніж у ППЗ мікросхемах.

Логічним продовженням простих PLD стала поява так званих складних PLD, що складаються з декількох блоків простих PLD (зазвичай як прості PLD використовуються PAL-пристрої), об'єднаних комутаційною матрицею, що програмується. Крім самих блоків PLD, можна було також запрограмувати зв'язки між ними за допомогою даної комутаційної матриці. Перші складні PLD з'явилися наприкінці 70-х – на початку 80-х років 20 століття, проте основний розвиток цього напряму припав на 1984 рік, коли компанія Altera представила складне PLD, засноване на поєднанні КМОП- та СППЗУ-технологій.

Поява FPGA

На початку 80-х у середовищі цифрових спеціалізованих мікросхем утворився прогалину між основними типами пристроїв. З одного боку, були PLD, які можна програмувати під кожну конкретну задачу і досить легко виготовляти, однак вони не можуть бути використані для реалізації складних функцій. З іншого боку є ASIC, які можуть реалізовувати надзвичайно складні функції, проте мають жорстко фіксовану архітектуру, при цьому їх довго і дорого виготовляти. Потрібно було проміжне ланка, і такою ланкою стали FPGA (Field Programmable Gate Arrays)-пристрої.

FPGA, як і PLD, є програмованими пристроями. Основною важливою відмінністю FPGA від PLD і те, що функції в FPGA реалізуються за допомогою ДНФ, а допомогою програмованих таблиць відповідності (LUT-таблиц). У цих таблицях значення функції задаються з допомогою таблиці істинності, з якої необхідний результат вибирається з допомогою мультиплексора (рис. 4):

Мал. 4. Таблиця відповідності

Кожен FPGA-пристрій складається з програмованих логічних блоків (Configurable Logic Blocks - CLB), які пов'язані між собою з'єднаннями, що також програмуються. Кожен такий блок призначений для програмування певної функції або її частини, проте може бути використаний для інших цілей, наприклад, як пам'ять.

У перших FPGA-пристроях, розроблених в середині 80-х років, логічний блок був влаштований дуже просто і містив одну 3-вхідну LUT-таблицю, один тригер та невелику кількість допоміжних елементів. Сучасні FPGA-пристрої влаштовані набагато складніше: кожен CLB-блок складається з 1-4 "зрізів" (slice), кожен з яких містить кілька LUT-таблиць (зазвичай 6-вхідних), кілька тригерів та великої кількості службових елементів. Ось приклад сучасного "зрізу":

Мал. 5. Влаштування сучасного "зрізу"

Висновок

Оскільки PLD-пристрої не можуть реалізовувати складні функції, вони продовжують використовуватися для реалізації простих функцій портативні пристроїі комунікаціях, у той час як FPGA-пристрою, починаючи від розміру в 1000 вентилів (перша FPGA, розроблена в 1985 році), на Наразіперевищили позначку 10 мільйонів вентилів (родина Virtex-6). Вони активно розвиваються і вже витісняють ASIC-мікросхеми, дозволяючи реалізовувати різні надзвичайно складні функції, при цьому не втрачаючи можливості перепрограмування.

Здійснення цих пропозицій у роки не могло відбутися через недостатнього розвитку технологій.

Наприкінці 1958 року й у першій половині 1959 року у напівпровідникової промисловості відбувся прорив. Три особи, які представляли три приватні американські корпорації, вирішили три фундаментальні проблеми, які перешкоджали створенню інтегральних схем. Джек Кілбі з Texas Instrumentsзапатентував принцип об'єднання, створив перші, недосконалі, прототипи ІВ та довів їх до серійного виробництва. Курт Леговець з Sprague Electric Companyвинайшов спосіб електричної ізоляції компонентів, сформованих одному кристалі напівпровідника (ізоляцію p-n-переходом (англ. P-n junction isolation)). Роберт Нойс із Fairchild Semiconductorвинайшов спосіб електричного з'єднаннякомпонентів ІВ (металізацію алюмінієм) та запропонував удосконалений варіант ізоляції компонентів на базі нової планарної технології Жана Ерні (англ. Jean Hoerni). 27 вересня 1960 року група Джея Ласта (англ. Jay Last) створила на Fairchild Semiconductorпершу працездатну напівпровідниковуІС за ідеями Нойса та Ерні. Texas Instruments, що володіла патентом на винахід Кілбі, розв'язала проти конкурентів патентну війну, що завершилася 1966 року мировою угодою про перехресне ліцензування технологій.

Ранні логічні ІС згаданих серій будувалися буквально з стандартнихкомпонентів, розміри та конфігурації яких були задані технологічним процесом. Схемотехніки, що проектували логічні ІВ конкретного сімейства, оперували одними і тими ж типовими діодами та транзисторами. У 1961-1962 pp. парадигму проектування зламав провідний розробник SylvaniaТом Лонго, вперше використавши в одній ІС різні Зміни транзисторів залежно від своїх функцій у схемі. Наприкінці 1962 р. Sylvaniaвипустила у продаж перше сімейство розробленої Лонго транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) – історично перший тип інтегральної логіки, який зумів надовго закріпитися на ринку. В аналоговій схемотехніці прорив подібного рівня здійснив у 1964-1965 роках розробник операційних підсилювачів FairchildБоб Відлар.

Перша вітчизняна мікросхема була створена в 1961 році в ТРТІ (Таганрозькому Радіотехнічному Інституті) під керівництвом Л. Н. Колесова. Ця подія привернула увагу наукової громадськості країни, і ТРТІ було затверджено головним у системі мінвузу щодо проблеми створення мікроелектронної апаратури високої надійності та автоматизації її виробництва. Сам же Л. М. Колесов був призначений Головою координаційної ради з цієї проблеми.

Перша в СРСР гібридна товстоплівкова інтегральна мікросхема(Серія 201 «Стежка») була розроблена в 1963-65 роках в НДІ точної технології («Ангстрем»), серійне виробництво з 1965 року. У розробці брали участь фахівці НДЕМ (нині НДІ «Аргон»).

Перша в СРСР напівпровідникова інтегральна мікросхема була створена на основі планарної технології, розробленої на початку 1960 року в НДІ-35 (потім перейменований в НДІ «Пульсар») колективом, який надалі був переведений до НДІМЕ («Мікрон»). Створення першої вітчизняної кремнієвої інтегральної схеми було сконцентровано на розробці та виробництві з військовою прийомкою серії інтегральних кремнієвих схем ТС-100 (37 елементів - еквівалент схемотехнічної складності тригера, аналога американських ІС серії SN-51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи та виробничі зразки кремнієвих інтегральних схем для відтворення були отримані із США. Роботи проводилися в НДІ-35 (директор Трутко) та Фрязінським напівпровідниковим заводом (директор Колмогоров) на оборонне замовлення для використання в автономному висотомірі системи наведення балістичної ракети. Розробка включала шість типових інтегральних кремнієвих планарних схем серії ТС-100 та з організацією дослідного виробництва зайняла у НДІ-35 три роки (з 1962 по 1965 рік). Ще два роки пішло на освоєння заводського виробництва з військовим прийманням у Фрязіно (1967 рік).

Паралельно робота з розробки інтегральної схеми проводилася центральному конструкторському бюро при Воронезькому заводі напівпровідникових приладів (нині - ). У 1965 році під час візиту на ВЗПП міністра електронної промисловості А. І. Шокіна заводу було доручено провести науково-дослідну роботу зі створення кремнієвої монолітної схеми – НДР «Титан» (наказ міністерства від 16.08.1965 р. № 92), яка була достроково виконано вже до кінця року. Тема була успішно здана Держкомісії, і серія 104 мікросхем діодно-транзисторної логіки стала першим фіксованим досягненням у галузі твердотільної мікроелектроніки, що було відображено у наказі МЕП від 30.12.1965 р. № 403.

Рівні проектування

В даний час (2014 р.) більша частина інтегральних схем проектується за допомогою спеціалізованих САПР, які дозволяють автоматизувати та значно прискорити виробничі процеси, наприклад, отримання топологічних фотошаблонів.

Класифікація

Ступінь інтеграції

Залежно від рівня інтеграції застосовуються такі назви інтегральних схем:

• мала інтегральна схема (МІС) - до 100 елементів у кристалі,
• середня інтегральна схема (СІС) - до 1000 елементів у кристалі,
• велика інтегральна схема (ВІС) - до 10 тис. елементів у кристалі,
• надвелика інтегральна схема (НВІС) - понад 10 тис. елементів у кристалі.

Раніше використовувалися також тепер застарілі назви: ультравелика інтегральна схема (УБІС) - від 1-10 млн до 1 млрд елементів у кристалі і, іноді, гігавелика інтегральна схема (ГБІС) - понад 1 млрд елементів у кристалі. В даний час, у 2010-х, назви «УБІС» та «ДБІС» практично не використовуються, і всі мікросхеми з числом елементів понад 10 тис. відносять до класу НВІС.

Технологія виготовлення

Гібридна мікроскладання STK403-090, витягнута з корпусу

• Напівпровідникова мікросхема - всі елементи та міжелементні сполуки виконані на одному напівпровідниковому кристалі (наприклад, кремнію, германію, арсеніду галію).

• Плівкова інтегральна мікросхема - всі елементи та міжелементні з'єднання виконані у вигляді плівок:
  • товстоплівна інтегральна схема;
  • тонкопленочна інтегральна схема.
• Гібридна мікросхема (часто звана мікроскладання), містить кілька безкорпусних діодів, безкорпусних транзисторів та інших електронних активних компонентів. Також мікроскладання може включати безкорпусні інтегральні мікросхеми. Пасивні компоненти мікроскладання (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) зазвичай виготовляються методами тонкоплівкової або товстоплівкової технологій на загальній, зазвичай, керамічній підкладці гібридної мікросхеми. Вся підкладка з компонентами міститься в єдиний герметизований корпус.
• Змішана мікросхема - крім напівпровідникового кристала містить тонкоплівкові (товстоплівкові) пасивні елементи, що розміщені на поверхні кристала.

Вид сигналу, що обробляється

• Аналого-цифрові.

Технології виготовлення

Типи логіки

Основним елементом аналогових мікросхем є транзистори (біполярні чи польові). Різниця у технології виготовлення транзисторів суттєво впливає на характеристики мікросхем. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують технологію виготовлення, щоб підкреслити цим загальну характеристикувластивостей та можливостей мікросхеми. У сучасних технологіяхпоєднують технології біполярних та польових транзисторів, щоб досягти покращення характеристик мікросхем.

• Мікросхеми на уніполярних (польових) транзисторах - найекономічніші (за споживанням струму):
  • МОП-логіка (метал-оксид-напівпровідник логіка) - мікросхеми формуються з польових транзисторів n-МОП або p-МОП типу;
  • КМОП-логіка (комплементарна МОП-логіка) – кожен логічний елементмікросхеми складається з пари взаємодоповнюючих (комплементарних) польових транзисторів. n-МОП та p-МОП).
• Мікросхеми на біполярних транзисторах:
  • РТЛ – резисторно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
  • ДТЛ – діодно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
  • ТТЛ - транзисторно-транзисторна логіка - мікросхеми виготовлені з біполярних транзисторів з багатоемітерними транзисторами на вході;
  • ТТЛШ - транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шоттки - удосконалена ТТЛ, в якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шоттки;
  • ЕСЛ - емітерно-пов'язана логіка - на біполярних транзисторах, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, - що суттєво підвищує швидкодію;
  • ІІЛ – інтегрально-інжекційна логіка.
• Мікросхеми, що використовують як польові, так і біполярні транзистори:

Використовуючи той самий тип транзисторів, мікросхеми можуть створюватися з різних методологій, наприклад, статичної чи динамічної .

КМОП і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найпоширенішими логіками мікросхем. Де необхідно економити споживання струму, застосовують КМОП-технологію, де важливіша швидкість і не потрібна економія споживаної потужності застосовують ТТЛ-технологію. Слабким місцем КМОП-мікросхем є вразливість до статичної електрики - досить торкнутися рукою виведення мікросхеми, і її цілісність не гарантується. З розвитком технологій ТТЛ та КМОП мікросхеми за параметрами зближуються і, як наслідок, наприклад, серія мікросхем 1564 зроблена за технологією КМОП, а функціональність та розміщення в корпусі як у ТТЛ технології.

Мікросхеми, виготовлені за ЕСЛ-технологією, є найшвидшими, але й найбільш енергоспоживаючими, і застосовувалися під час виробництва обчислювальної технікитоді, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. У СРСР найпродуктивніші ЕОМ типу ЕС106х виготовлялися на ЕСЛ-мікросхемах. Наразі ця технологія використовується рідко.

Технологічний процес

При виготовленні мікросхем використовується метод фотолітографії (проекційної, контактної та ін.), При цьому схему формують на підкладці (зазвичай з кремнію), отриманої шляхом різання алмазними дисками монокристалів кремнію на тонкі пластини. З огляду на небагато лінійних розмірів елементів мікросхем від використання видимого світла і навіть ближнього ультрафіолетового випромінювання при засвіченні відмовилися.

Наступні процесори виготовляли з використанням ультрафіолетового випромінювання (ексимерний лазер ArF, довжина хвилі 193 нм). У середньому впровадження лідерами індустрії нових техпроцесів за планом ITRS відбувалося кожні 2 роки, при цьому забезпечувалося подвоєння кількості транзисторів на одиницю площі: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011) , 14 , освоєння 10 нм процесів очікується близько 2018 року

У 2015 році з'явилися оцінки, що впровадження нових техпроцесів уповільнюватиметься.

Контроль якості

Для контролю якості інтегральних мікросхем широко застосовують звані тестові структури.

Призначення

Інтегральна мікросхема може мати закінчену, скільки завгодно складну, функціональність - аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний мікрокомп'ютер).

Аналогові схеми

Аналогова інтегральна (мікро)схема (АІС, АІМС) - інтегральна схема, вхідні та вихідні сигнали якої змінюються за законом безперервної функції (тобто є аналоговими сигналами).

Лабораторний зразок аналогової ІС був створений фірмою Texas Instruments у США у 1958 році. Це був генератор зсуву фаз. У 1962 році з'явилася перша серія аналогових мікросхем – SN52. У ній були малопотужний підсилювач низької частоти, операційний підсилювач та відеопідсилювач.

У СРСР великий асортимент аналогових інтегральних мікросхем було отримано до кінця 1970-х років. Їхнє застосування дозволило збільшити надійність пристроїв, спростити налагодження обладнання, часто навіть виключити необхідність технічне обслуговуванняв процесі експлуатації.

Нижче наведено неповний перелік пристроїв, функції яких можуть виконувати аналогові ІМС. Найчастіше одна мікросхема замінює відразу кілька таких (наприклад, К174ХА42 вміщує всі вузли супергетеродинного ЧС радіоприймача ).

• Фільтри (у тому числі на п'єзоефект).
• Аналогові помножувачі.
• Аналогові атенюатори та регульовані підсилювачі.
• Стабілізатори джерел живлення: стабілізатори напруги та струму.
• Мікросхеми керування імпульсних блоків живлення.
• Перетворювачі сигналів.
• Різні датчики.

Аналогові мікросхеми застосовуються в апаратурі звукопідсилення та звуковідтворення, у відеомагнітофонах, телевізорах, техніці зв'язку, вимірювальних приладах, аналогових обчислювальних машинах, і т.д.

В аналогових комп'ютерах

• Операційні підсилювачі (LM101, μA741).

У блоках живлення

Мікросхема стабілізатора напруги КР1170ЕН8

• Лінійні стабілізатори напруги (КР1170ЕН12, LM317).
• Імпульсні стабілізатори напруги (LM2596, LM2663).

У відеокамерах та фотоапаратах

• ПЗЗ-матриці (ICX404AL).
• ПЗЗ-лінійки (MLX90255BA).

В апаратурі звукопідсилення та звуковідтворення

• Підсилювачі потужності звукової частоти (LA4420, К174УН5, К174УН7).
• Здвоєні УМЗЧ для стереофонічної апаратури (TDA2004, К174УН15, К174УН18).
• Різні регулятори (К174УН10 - двоканальний УМЗЧ з електронним регулюванням частотної характеристики, К174УН12 - двоканальний регулятор гучності та балансу).

У вимірювальних приладах У радіопередаючих та радіоприймальних пристроях

• Детектори сигналу АМ (К175ДА1).
• Детектори ЧС сигналу (К174УР7).
• Змішувачі (К174ПС1).
• Підсилювачі високої частоти (К157ХА1).
• Підсилювачі проміжної частоти (К157ХА2, К171УР1).
• Однокристальні радіоприймачі (К174ХА10).

У телевізорах

• У радіоканалі (К174УР8 - підсилювач з АРУ, детектор ПЧ зображення та звуку, К174УР2 - підсилювач напруги ПЧ зображення, синхронний детектор, попередній підсилювачвідеосигналу, система ключового автоматичного регулювання посилення).
• У каналі кольоровості (К174АФ5 – формувач колірних R-, G-, B-сигналів, К174ХА8 – електронний комутатор, підсилювач-обмежувач та демодулятор сигналів колірної інформації).
• У вузлах розгортки (К174ГЛ1 – генератор кадрової розгортки).
• У ланцюгах комутації, синхронізації, корекції та управління (К174АФ1 - амплітудний селектор синхросигналу, генератор імпульсів малої частоти, вузол автоматичного підстроювання частоти і фази сигналу, формувач задніх імпульсів малої розгортки, К174УП1 - підсилювач ярко електронний регуляторрозмаху вихідного сигналу та рівня «чорного»).

Виробництво

Перехід до субмікронних розмірів інтегральних елементів ускладнює проектування АІМС. Наприклад, МОП-транзистори з малою довжиною затвора мають ряд особливостей, що обмежують їх застосування в аналогових блоках: високий рівень фліккерного низькочастотного шуму ; сильний розкид порогової напруги та крутості, що призводить до появи великої напруги усунення диференціальних та операційних підсилювачів; мала величина вихідного малосигнального опору та посилення каскадів з активним навантаженням; невисока пробивна напруга p-n-переходів і проміжок стік-витік, що викликає зниження напруги живлення та зменшення динамічного діапазону.

Нині аналогові мікросхеми виробляються багатьма фірмами: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments та інших.

Цифрові схеми

Цифрова інтегральна мікросхема(Цифрова мікросхема) - це інтегральна мікросхема, призначена для перетворення та обробки сигналів, що змінюються за законом дискретної функції.

В основі цифрових інтегральних мікросхем лежать транзисторні ключі, здатні перебувати у двох стійких станах: відкритому та закритому. Використання транзисторних ключів дозволяє створювати різні логічні, тригерні та інші інтегральні мікросхеми. Цифрові інтегральні мікросхеми застосовують у пристроях обробки дискретної інформації електронно-обчислювальних машин (ЕОМ), системах автоматики тощо.

• Буферні перетворювачі
• (Мікро)процесори (у тому числі ЦП для комп'ютерів)
• Мікросхеми та модулі пам'яті
• ПЛІС (програмовані логічні інтегральні схеми)

Цифрові інтегральні мікросхеми мають ряд переваг у порівнянні з аналоговими:

• Зменшене енергоспоживанняпов'язане із застосуванням у цифровій електроніці імпульсних електричних сигналів. При отриманні та перетворенні таких сигналів активні елементи електронних пристроїв (транзисторів) працюють у «ключовому» режимі, тобто транзистор або «відкритий» - що відповідає сигналу високого рівня (1), або «закритий» - (0), у першому випадку на транзистор немає падіння напруги , у другому - через нього не йде струм . В обох випадках енергоспоживання близько до 0, на відміну від аналогових пристроїв, у яких більшу частину часу транзистори перебувають у проміжному (активному) стані.
• Висока завадостійкістьцифрових пристроїв пов'язана з великою відмінністю сигналів високого (наприклад, 2,5-5) і низького (0-0,5) рівня. Помилка стану можлива за такого рівня перешкод, коли високий рівень інтерпретується як низький і навпаки, що малоймовірно. Крім того, в цифрових пристроївможливе застосування спеціальних кодів, що дозволяють виправляти помилки.
• Велика різниця рівнів станів сигналів високого та низького рівня (логічних «0» і «1») і досить широкий діапазон їх допустимих змін робить цифрову техніку нечутливою до неминучого в інтегральній технології розкиду параметрів елементів, позбавляє необхідності підбору компонентів та налаштування елементами регулювання в цифрових пристроях.

Аналого-цифрові схеми

Аналого-цифрова інтегральна схема(Аналого-цифрова мікросхема) - інтегральна схема, призначена для перетворення сигналів, що змінюються за законом дискретної функції, сигнали, що змінюються за законом безперервної функції, і навпаки.

Найчастіше одна мікросхема виконує функції відразу кількох пристроїв (наприклад, АЦП послідовного наближення містять ЦАП, тому можуть виконувати двосторонні перетворення). Список пристроїв (неповний), функції яких можуть виконувати аналого-цифрові ІМС:

• цифро-аналогові (ЦАП) та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП);
• аналогові мультиплексори (у той час як цифрові (де)мультиплексори є виключно цифровими ІМС, аналогові мультиплексори містять елементи цифрової логіки (зазвичай дешифратор) і можуть містити аналогові схеми);
• прийомопередавачі (наприклад, мережевий приймач інтерфейсу Ethernet);
• модулятори та демодулятори;
  • радіомодеми;
  • декодери телетексту, УКХ-радіо-тексту;
  • прийомопередавачі Fast Ethernet та оптичних ліній;
  • Dial-Upмодеми;
  • приймачі цифрового ТБ;
  • датчик оптичної комп'ютерної миші;
• мікросхеми живлення електронних пристроїв - стабілізатори, перетворювачі напруги, силові ключі та ін;
• цифрові атенюатори;
• схеми фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ);
• генератори та відновники частоти тактової синхронізації;
• базові матричні кристали (БМК): містить як аналогові, і цифрові схеми.

Серії мікросхем

Аналогові та цифрові мікросхеми випускаються серіями. Серія - це група мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання та призначені для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакову напругу джерел живлення, узгоджені за вхідними та вихідними опорами, рівнями сигналів.

Корпуси

Корпуси інтегральних мікросхем, призначені для поверхневого монтажу

Мікрозбирання з безкорпусною мікросхемою, розвареною на друкованій платі

Специфічні назви

Світовий ринок

У 2017 році світовий ринок інтегральних схем оцінювався у 700 млрд. дол.

12 вересня 1958 року співробітник фірми Texas Instruments (TI) Джек Кілбі продемонстрував керівництву дивний прилад - склеєний бджолиним воском на скляній підкладці пристрій із двох шматочків кремнію розміром 11,1х1,6 мм. Це був об'ємний макет - прототип інтегральної схеми (ІС) генератора, що доводить можливість виготовлення всіх елементів схеми на основі напівпровідникового матеріалу. Ця дата відзначається історія електроніки як день народження інтегральних схем.

До інтегральних схем (мікросхем, ІВ) відносяться електронні пристроїрізної складності, у яких все однотипні елементи виготовляються одночасно у єдиному технологічному циклі, тобто. за інтегральною технологією. На відміну від друкованих плат(у яких у єдиному циклі за інтегральною технологією одночасно виготовляються всі сполучні провідники) в ІС аналогічно формуються і резистори, і конденсатори, і діоди, і транзистори. Крім того, одночасно виготовляється багато ІС, від десятків до тисяч

Раніше розрізняли дві групи ІВ: гібридні та напівпровідникові

У гібридних ІВ (ГІС) на поверхні підкладки мікросхеми (як правило, з кераміки) за інтегральною технологією формуються всі провідники та пасивні елементи. Активні елементи у вигляді безкорпусних діодів, транзисторів та кристалів напівпровідникових ІС, встановлюються на підкладку індивідуально, вручну або автоматами

У напівпровідникових ІС сполучні, пасивні та активні елементи формуються в єдиному технологічному циклі на поверхні напівпровідникового матеріалу з частковим вторгненням у його обсяг методами дифузії. Одночасно на одній пластині напівпровідника виготовляється від кількох десятків до кількох тисяч ІС.

Перші гібридні ІВ.

ГІС є продуктом еволюційного розвитку мікромодулів та технології монтажу на керамічних платах. Тому з'явилися вони непомітно, загальноприйнятої дати народження ГІС та загальновизнаного автора не існує

Напівпровідникові ІВ були природним і неминучим результатом розвитку напівпровідникової техніки, але вимагали генерації нових ідей та створення нової технології, які мають і свої дати народження, і свої автори.

Перші гібридні та напівпровідникові ІС з'явилися в СРСР та США майже одночасно і незалежно один від одного

Ще наприкінці 1940-х років у фірмі Centralab у США були розроблені основні принципи виготовлення товстоплівкових друкованих плат на керамічній основі

А на початку 1950-х років у фірмі RCA винайшли тонкоплівкову технологію: розпорошуючи у вакуумі різні матеріали та осаджуючи їх через маску на спеціальні підкладки, навчилися на єдиній керамічній підкладці одночасно виготовляти безліч мініатюрних плівкових з'єднувальних провідників, резисторів та конденс.

Порівняно з товстоплівковою, тонкоплівкова технологія забезпечувала можливість більш точного виготовлення елементів топології менших розмірів, але вимагала складнішого та дорогого обладнання. Пристрої, що виготовляються на керамічних платах за товстоплівковою або тонкоплівковою технологією, отримали назву “гібридні схеми”

Але гібридною інтегральною схемою мікромодуль став у той момент, коли в ньому застосували безкорпусні транзистори та діоди та герметизували конструкцію у загальному корпусі.

У СРСР

Перші ГІС (модулі типу “Квант” пізніше одержали позначення ІВ серії 116) у СРСР розробили 1963 р. в НДІРЕ (пізніше НВО “Ленінец”, Ленінград) й у тому року його дослідний завод почав їх серійне виробництво. У цих ГІС як активні елементи використовувалися напівпровідникові ІС “Р12-2”, розроблені в 1962 р. Ризьким заводом напівпровідникових приладів

Безперечно, модулі “Квант” були першими у світі ГІС із дворівневою інтеграцією – як активні елементи в них використовувалися не дискретні безкорпусні транзистори, а напівпровідникові ІС

В США

Поява товстоплівкових ГІС, як основної елементної бази нової ЕОМ IBM System /360, вперше було анонсовано корпорації IBM у 1964 р.

Напівпровідникові ІС серій "Micrologic" фірми Fairchild і "SN-51" фірми TI були ще недоступні рідкісні і недозволено дороги для комерційного застосування, побудова великої ЕОМ. Тому корпорація IBM, взявши за основу конструкцію плоского мікромодуля, розробила свою серію товстоплівкових ГІС, а загальною назвою (на відміну від "мікромодулів") - "SLT-модулі" (Solid Logic Technology - технологія цільної логіки. Зазвичай слово "solid" перекладають на російську мову як "твердий", що абсолютно нелогічно. Дійсно, термін "SLT-модулі " був введений IBM як протиставлення терміну "мікромодуль" і повинен відображати їхню відмінність. У слова "solid" є й інші значення - "суцільний", "цілий", які вдало підкреслюють відмінність "SLT-модулів" і "мікромодулів"

SLT-модуль був квадратною керамічною товстоплівковою мікрохусткою з впресованими вертикальними штиревими висновками. На її поверхню методом шовкографії наносилися сполучні провідники та резистори, і встановлювалися безкорпусні транзистори. Конденсатори, при необхідності, встановлювалися поряд із SLT-модулем

При зовнішній майже ідентичності (мікромодулі трохи вище) SLT-модулі від плоских мікромодулів відрізнялися більш високою щільністю компонування елементів, низьким енергоспоживанням, високою швидкодією та високою надійністю.

Крім того, SLT-технологія досить легко автоматизувалася, отже, їх можна було випускати досить низькою для застосування в комерційній апаратурі вартості. Саме це IBM і було потрібне. Після IBM ГІС почали випускати й інші фірми, котрим ГІС стала товарної продукцією.

На початку лютого 2014 року було відзначено п'ятдесятип'яти річчя з моменту появи у світовому співтоваристві такої невід'ємної частини сучасної схемотехніки, як інтегральна мікросхема.

Нагадуємо, 1959 року Федеральне патентне відомство Сполучених Штатів Америки видало патент компанії Texas Instruments на створення інтегральної мікросхеми.

Ця подія була відзначена як зародження епохи електроніки і всіх благ, що випливають від її використання.

Дійсно, інтегральна мікросхема є основою більшості відомих нам електроприладів.

Вперше ідея створення інтегральної мікросхеми виникла на початку 50-х років минулого століття. Головним аргументом її появи була мініатюризація та скорочення вартості електроприладів. Довгий час думки про її реалізацію просто лунали в повітрі, незважаючи на те, що у світі активно розвивалися такі відгалуження схемотехніки, як телебачення та радіо, а також комп'ютерні технології.

Створення інтегральної мікросхеми передбачало відмову від зайвих проводів, монтажних панелей, ізоляції під час виробництва схемотехніки на діодах та напівпровідникових транзисторах. Однак реалізувати подібні думки довгий час нікому не вдавалося. Тільки після активних робіт такого талановитого і добре відомого сучасним ученим інженера, як Джек Кілбі (лауреат Нобелівської премії з фізики за винахід інтегральної мікросхеми у 2000 році), у 1958 році було представлено першу мікросхему. Майже півроку, винахід було запатентовано компанією, на яку працював Кілбі (Texas Instruments).

Звичайно, зараз можна констатувати той факт, що перша мікросхема німецького вченого Кілбі була непридатною до експлуатації. Однак на її основі були створені дедалі пізніші інтегральні мікросхеми, однією з яких стала технологія Роберта Нойса – кремнієва планарна мікросхема.

Р. Нойс обіймав високу посаду у компанії Fairchald Semiconductor, точніше, він був одним із її засновників. Роботу Нойса було запатентовано майже відразу після отримання патенту Кілбі. Однак, на відміну від мікросхеми Кілбі, розробка Нойса набула затребуваності серед основних виробників електротехніки. Це стало причиною виникнення суперечки між компаніями Texas Instruments та Fairchald Semiconductor та подальшого судового розгляду аж до 1969 року. У результаті першим винахідником мікросхем було названо Нойс. Хоча такий збіг обставин анітрохи не засмутив власників обох компаній. Декількома роками раніше вони дійшли єдиного рішення і визнали обох учених засновниками інтегральної мікросхеми з однаковими правами, видавши їм вищі нагороди наукової та інженерної спільноти США - National Medal of Science та National Medal of Technology.

Якщо добре покопатися в минулому, то з упевненістю можна сказати, до того, як Нойс і Кілбі представили світові мікросхему, над цією ідеєю попрацювала досить велика кількість учених, які пропонували не менш просунуті конструкції. Серед них інженер Вернер Якобі (Німеччина). Його розробка була навіть запатентована у 1949 році. У патенті інженер замалював конструкцію мікросхеми із 5 транзисторів на загальній підкладці. Пізніше, 1952 року було описано принцип інтеграції компонентів схеми у єдиний блок англійським інженером Д. Даммером. Ще через п'ятирічний період, Джеффрі Даммер анонсував перший діючий зразок інтегральної мікросхеми-тригера, заснований на чотирьох транзисторах. На жаль, англійські фахівці військових підрозділів гідно не оцінили винаходи Даммера, хоча мали. У результаті всі роботи вченого було припинено. Пізніше винахід Даммера назвали прабатьком сучасних мікросхем, а самого вченого – пророком інтегральної мікросхеми.

У 1957 році в Сполучених Штатах Америки було прийнято заявку іншого інженера Бернара Олівера на отримання патенту на описану ним технологію виробництва монолітного блоку на трьох планарних транзисторах.

Серед імен пророків сучасної мікросхеми звучать і ініціали інженера Харвіка Джонсона, яких патентував одразу кілька типів створення електронних компонентів схем на одному кристалі, але так і не отримав жодного дозволяючого реалізувати свої відкриття документа. Один із цих способів використав Джек Кілбі, якому і дісталися всі лаври Джонсона.

6 лютого 1959 року, рівно 55 років тому, Федеральне патентне відомство США видало патент на винахід інтегральної мікросхеми компанії Texas Instruments. Тим самим було офіційно визнано народження технології, якби не було, ми сьогодні не мали б під рукою переважної більшості звичних нам електронних приладів і пов'язаних з ними можливостей.

Ідея інтегральної мікросхеми наприкінці 50-х, як кажуть, носилася у повітрі. Вже було створено транзистор; радіо- і телевізійна схемотехніка, що стрімко розвивалася, не кажучи вже про комп'ютерну, вимагала пошуку рішень для мініатюризації; споживчий ринок потребував здешевлення апаратури. Ідея викинути зі схеми на напівпровідникових транзисторах і діодах все зайве (монтажні панелі, проводи, корпуси та ізолятори), зібравши в одну «цеглу» її суть – n-p-переходи, – неминуче мала прийти в голову комусь.

Так і сталося. Прийшла. Причому відразу кільком талановитим інженерам, але лише одного з них сьогодні прийнято вважати «батьком інтегральної мікросхеми» – Джека Кілбі, співробітника Texas Instruments, удостоєного в 2000 Нобелівської премії з фізики за винахід інтегральної мікросхеми. 24 липня 1958 року ідея нового приладу була записана в робочий щоденник, 12 вересня він продемонстрував працюючий зразок мікросхеми, підготував і подав заявку на патент, а 6 лютого 1959-го отримав його.

Заради справедливості слід визнати, що конструкція германієвої мікросхеми Кілбі була практично непридатна для промислового освоєння, чого не можна сказати про розроблену Робертом Нойсом кремнієву планарну мікросхему.

Роберт Нойс, який працював у компанії Fairchald Semiconductor (він був і одним із засновників цієї фірми) практично одночасно і незалежно від Кілбі розробив свій варіант конструкції інтегральної мікросхеми, запатентував його і… вкинув на 10 років Texas Instruments і Fairchald Semiconductor у безперервну патентну війну, завершивши 6 листопада 1969 року рішенням апеляційного суду США у справах патентів та митних зборів, згідно з яким єдиним винахідником мікросхеми має вважатися… Роберт Нойс! Верховний суд США підтвердив це рішення.

Втім, ще до винесення судового вердикту, в 1966 році, компанії домовилися про визнання один за одним рівних прав на інтегральну мікросхему, а обидва винахідники - Кілбі і Нойс були удостоєні однакових найвищих нагород наукової та інженерної спільноти США: National Medal of Science та National Medal of Technology.

Адже були й інші, хто набагато раніше за Кілбі і Нойса формулювали принцип конструкції і навіть патентували інтегральну мікросхему. Німецький інженер Вернер Якобі у своєму патенті 1949 малює конструкцію мікросхеми з 5 транзисторів на загальній підкладці. 7 травня 1952-го англійський радіоінженер Джеффрі Даммер описав принцип інтеграції компонентів схеми в єдиний блок у своєму публічному виступі на симпозіумі, присвяченому електронним компонентам у Вашингтоні (на цьому симпозіумі був присутній і Джек Кілбі); 1957-го він представив діючий зразок першої у світі інтегральної мікросхеми-тригера на 4 транзисторах. Фахівці з військового відомства Англії новинку не зрозуміли і не оцінили її потенціал. Роботи закрили. Згодом на батьківщині Даммера назвали «пророком інтегральної мікросхеми», його запрошували брати участь у багатьох національних та міжнародних проектах розвитку електронних технологій.

У США у жовтні того ж року Бернар Олівер подав заявку на патент, де описував спосіб виготовлення монолітного блоку із трьох планарних транзисторів. 21 травня 1953 інженер Харвік Джонсон подав заявку на кілька способів формування різноманітних електронних компонентів схем в одному кристалі. Забавно, що один з варіантів, запропонованих Джонсоном, через 6 років був незалежно реалізований і запатентований Джеком Кілбі. Приголомшливо!

Детальні біографії всіх винахідників інтегральної мікросхеми, опису подій та обставин великого, не побоюсь цього слова, винаходи сьогодні легко може знайти кожен охочий: все це є в Мережі. Мені ж, у день народження мікросхеми, хотілося б «дати слово» всім трьом: Джеффрі Даммеру, Джеку Кілбі та Роберту Нойсу. У час в інтерв'ю вони ділилися спогадами «як це було», своїми думками і переживаннями. Я вибрав деякі висловлювання, які мені здалися цікавими.

Джеффрі Даммер:
«З появою транзистора і робіт напівпровідниками в цілому сьогодні, мабуть, можна ставити питання про створення електронного обладнання у вигляді твердого блоку без будь-яких з'єднувальних проводів. Цей блок може складатися з шарів ізолюючих, провідних, що випрямляють і посилюють сигнал матеріалів. Завдання електронних функцій компонентів та їхнє з'єднання належним чином може бути виконане шляхом вирізування ділянок окремих шарів».
«В одній зі своїх книг я пояснив причину своєї невдачі великою втомою від нескінченних бюрократичних воєн, але, можливо, річ не тільки в цьому. Факт у тому, що ніхто не хотів ризикувати. Військове міністерство не укладатиме контракт на пристрій, не доведений до промислового зразка. Окремі розробники не захотіли братися за невідому їм справу. Це ситуація курки та яйця. Американці - фінансові авантюристи, а цій країні (мається на увазі Англія. – Ю. Р.) Все відбувається занадто повільно».

Джек Кілбі:
«Після того, як транзистор вийшов на сцену, знову відродився інтерес до того, що деякий час тому почали називати «мініатюризація». Вона ніколи не була самоціллю, але для величезної кількості застосувань здавалося дуже зручним зібрати більше компонентів в одному місці і упаковати їх щільніше. А тут ще військово-морський флот розпочав проект із безконтактних підривників. Їм дуже потрібен був пристрій, де всі електронні компоненти зібрані на пластині квадратний дюйм, не більше. Вони вже витратили неабияку кількість грошей, але так і не отримали бажаного… Транзистор вирішив усі проблеми. Загалом, і тоді і зараз, якщо у вас є новий продукт і він представляє інтерес для військових або ви можете так влаштувати, що він зацікавить військових, то ви, як правило, без проблем працюватимете, тому що у вас буде фінансування. Це було справедливо і в ті далекі часи, це справедливо і зараз».

Головним мотивом роботи над інтегральною схемою було зниження витрат виробництва апаратури. Правда, я тоді не дуже уявляв масштабів можливого здешевлення і того, наскільки фактор дешевизни розширить поле застосування електроніки в різних областях. У 1958 році один кремнієвий транзистор, який ще не дуже добре продавався, коштував близько $10. Сьогодні за $10 можна купити понад 100 млн. транзисторів. Я такого не міг передбачити. І впевнений, ніхто не передбачав такої можливості».

«Розробляти перший мікрокалькулятор (на фото) ми почали розширити ринок інтегральних мікросхем: для них важливий масовий ринок. Перші калькулятори ми продавали $500, сьогодні вони продаються $4–5 і стали одноразовим продуктом. Це – до питання про здешевлення».

«Чи є винахід інтегральної мікросхеми моїм найголовнішим досягненням у житті? О, безперечно!..»

Роберт Нойс:
«У Fairchild ми почали працювати в рамках інженерного проекту, який військові називали “молекулярною інженерією”. Він фінансувався ВПС. Передбачалося, що ми маємо створити якусь структуру, побудовану з конструкцій «молекула-на-молекулі» чи навіть «атом-на-атомі». І така структура має виконувати функції електронного приладу. Це було не зовсім за нашим профілем, оскільки сила електронної промисловості завжди була в тому, щоб синтезувати щось із простих елементів, а не намагатися винайти складний елемент. Створюються прості елементи схеми: конденсатори, резистори, підсилювальні елементи, діоди тощо, а потім синтезують необхідну функцію. Загалом, із молекулярною інженерією щось пішло не так».

«Ви запитуєте, чи це було насамперед маркетингове рішення - займатися інтегральними схемами. Я думаю що ні. Я думаю, що більшість досягнень такого роду не були передбачені маркетологами і свідомо ними не готувалися. Вони швидше виникали з логіки технічного прогресу. Тоді можна було б охарактеризувати так: «Тепер ми можемо ось це зробити. Чому б вам не спробувати це продати? А сьогодні хтось із маркетингу приходить і каже: «Якби мали ось це, то ми могли б це продати». Відчуваєте де різниця? У випадку з інтегральною схемою захоплююче було почуття, що існує необхідність у цьому приладі. У всіх. У військових, у цивільних… Розумієте – у всіх!