Integroitu piiri ( IC , IC, Englanti IC ); mikropiiri , m / s , siru ( eng. siru : "ohut levy": alunperin termi viitattiin mikropiirikidelevyyn ) - mikroelektroninen laite - mielivaltaisen monimutkainen elektroninen piiri (kide), joka on tehty puolijohdesubstraatille ( kiekko tai kalvo) ja sijoitetaan ei- irrotettavaan koteloon tai ilman sitä , jos se sisällytetään mikrokokoonpanoon [1] .
Useimmat mikropiirit valmistetaan pinta- asennuspakkauksissa .
Usein integroidulla piirillä (IC) tarkoitetaan kitettä tai kalvoa, jossa on elektroninen piiri, ja mikropiiri (MC) on koteloon suljettu IC. Samanaikaisesti ilmaisu chip - komponentit tarkoittaa " pinta-asennuskomponentteja " (toisin kuin levyn reikien juottamiseen tarkoitettuja komponentteja ).
7. toukokuuta 1952 brittiläinen radioinsinööri Geoffrey Dummer esitti ensimmäisen kerran ajatuksen monien standardien elektronisten komponenttien yhdistämisestä monoliittiseen puolijohdekiteeseen . Näiden ehdotusten toteuttaminen ei näinä vuosina voinut toteutua tekniikan riittämättömän kehityksen vuoksi.
Vuoden 1958 lopussa ja vuoden 1959 alkupuoliskolla puolijohdeteollisuudessa tapahtui läpimurto. Vuonna 1959 Eduard Keondjian kehitti ensimmäisen integroidun piirin prototyypin. [2] [3] [4] [5] Kolme miestä, jotka edustivat kolmea yksityistä amerikkalaista yritystä, ratkaisivat kolme perusongelmaa, jotka estivät integroitujen piirien luomisen. Jack Kilby Texas Instrumentsista patentoi fuusioperiaatteen , loi ensimmäiset epätäydelliset IC-prototyypit ja toi ne massatuotantoon. Kurt Lehovec Sprague Electric Companysta keksi menetelmän yhdelle puolijohdesirulle muodostettujen komponenttien sähköiseksi eristämiseksi ( pn - liitoseristys ) . Robert Noyce Fairchild Semiconductorista keksi menetelmän IC-komponenttien sähköiseksi kytkemiseksi ( alumiinipinnoite ) ja ehdotti Jean Hoernin uusimpaan tasotekniikkaan perustuvaa komponenttien eristyksen parannettua versiota . 27. syyskuuta 1960 Jay Lastin ryhmä loi ensimmäisen toimivan puolijohdepiirin Fairchild Semiconductorissa Noycen ja Ernien ideoiden pohjalta. Kilbyn keksinnön patentin omistanut Texas Instruments käynnisti patenttisodan kilpailijoita vastaan, joka päättyi vuonna 1966 teknologian ristiinlisensointia koskevaan sovintosopimukseen .
Näiden sarjojen varhaiset logiikkapiirit rakennettiin kirjaimellisesti vakiokomponenteista , joiden koot ja kokoonpanot asetettiin teknologisella prosessilla. Piiri-insinöörit, jotka suunnittelivat tietyn perheen logiikkapiirit, käyttivät samoja tyypillisiä diodeja ja transistoreja. Vuosina 1961-1962. Suunnitteluparadigman rikkoi Sylvanian pääsuunnittelija Tom Longo , joka oli edelläkävijä erilaisten transistorikokoonpanojen käytön yhdessä piirissä riippuen niiden toiminnasta piirissä. Vuoden 1962 lopulla Sylvania lanseerasi Longon ensimmäisen transistori-transistorilogiikkaperheen (TTL), joka on historiallisesti ensimmäinen integroitu logiikkatyyppi, joka onnistui saamaan pysyvän jalansijan markkinoilla. Analogisissa piireissä tämän tason läpimurron teki vuosina 1964-1965 Fairchildin operaatiovahvistimen suunnittelija Bob Widlar .
Neuvostoliiton ensimmäinen mikropiiri luotiin vuonna 1961 TRTI :ssä (Taganrog Radio Engineering Institute) LN Kolesovin johdolla [6] . Tämä tapahtuma herätti maan tiedeyhteisön huomion, ja TRTI hyväksyttiin korkeakoulutusministeriön järjestelmän johtajaksi korkean luotettavuuden mikroelektronisten laitteiden luomisen ja sen tuotannon automatisoinnin ongelmassa. L. N. Kolesov itse nimitettiin tämän ongelman koordinointineuvoston puheenjohtajaksi.
Ensimmäinen Neuvostoliiton hybridi-paksukalvointegroitu piiri (sarja 201 "Tropa") kehitettiin vuosina 1963-65 Tarkkuustekniikan tutkimuslaitoksessa (" Angstrem "), sarjatuotantona vuodesta 1965. NIEM:n (nykyisin Argon Research Institute ) asiantuntijat osallistuivat kehitykseen [7] [8] .
Neuvostoliiton ensimmäinen integroitu puolijohdepiiri luotiin tasotekniikan pohjalta , jonka ryhmä kehitti vuoden 1960 alussa NII-35 :ssä (silloin nimettiin NII "Pulsar" ), joka siirrettiin myöhemmin NIIME:lle (" Micron ") . . Ensimmäisen kotimaisen piiintegroidun piirin luominen keskittyi integroitujen piipiirien TS-100 sarjan (37 elementtiä - vastaa liipaisimen piirin monimutkaisuutta , analoginen amerikkalaisten IC -piirien) kehittämiseen ja tuotantoon sotilaallisella hyväksynnällä. Texas Instrumentsin SN - 51 -sarja ). Pii-integroitujen piirien prototyypit ja tuotantonäytteet toistoa varten hankittiin Yhdysvalloista. Työ suoritettiin NII-35:ssä (johtaja Trutko) ja Fryazinsky Semiconductor Plantissa (johtaja Kolmogorov) puolustusmääräyksen mukaisesti käytettäväksi ballististen ohjusten ohjausjärjestelmän autonomisessa korkeusmittarissa . Kehitys sisälsi kuusi tyypillistä TS-100-sarjan integroitua piitasopiiriä, ja pilotituotannon järjestämisen kanssa kesti kolme vuotta NII-35:ssä (1962-1965). Kesti vielä kaksi vuotta hallita tehdastuotanto ja sotilaallinen hyväksyntä Fryazino (1967) [9] .
Samanaikaisesti integroidun piirin kehitystyötä suoritettiin Voronežin puolijohdelaitteiden tehtaan (nykyisin JSC NIIET ) keskussuunnittelutoimistossa. Vuonna 1965 elektroniikkateollisuusministeri A.I. Shokinin vierailun aikana VZPP:ssä tehdasta käskettiin suorittamaan tutkimustyötä piimonoliittisen piirin - T & K "Titan" - luomiseksi (ministeriön määräys nro 92, 16. elokuuta). , 1965), joka valmistui aikataulua edellä vuoden loppuun mennessä. Aihe toimitettiin onnistuneesti osavaltion komissiolle, ja 104 diodi-transistorilogiikan sarjasta tuli ensimmäinen kiinteä saavutus solid-state-mikroelektroniikan alalla, mikä näkyi talouskehitysministeriön määräyksessä 30. joulukuuta, 1965 nro 403 [10] [11] .
Integrointiasteesta riippuen käytetään seuraavia integroitujen piirien nimiä:
Aikaisemmin käytettiin myös vanhentuneita nimiä: ultra-large-scale integroitu piiri (ULSI) - 1-10 miljoonasta 1 miljardiin elementtiin kiteessä [12] [13] ja joskus gigan iso integroitu piiri ( GBIC) - yli 1 miljardi elementtiä kiteessä. Tällä hetkellä, 2010-luvulla, nimiä "UBIS" ja "GBIS" ei käytännössä käytetä, ja kaikki mikropiirit, joissa on yli 10 tuhatta elementtiä, luokitellaan VLSI:ksi.
Analogiset IC :t - tulo- ja lähtösignaalit vaihtelevat jatkuvana funktiona positiivisesta negatiiviseen syöttöjännitteeseen.
Digitaaliset mikropiirit - tulo- ja lähtösignaaleilla voi olla kaksi arvoa: looginen nolla tai looginen yksi, joista jokainen vastaa tiettyä jännitealuetta. Esimerkiksi TTL - tyyppisille mikropiireille , joiden syöttöjännite on +5 V, jännitealue 0 ... 0,4 V vastaa loogista nollaa ja alue 2,4 - 5 V vastaa loogista nollaa; ESL-logiikkasiruille -5,2 V:n syöttöjännitteellä alue -0,8 - -1,03 V on looginen yksikkö ja -1,6 - -1,75 V on looginen nolla.
Analogista digitaaliseen IC :t yhdistävät digitaalisen ja analogisen signaalinkäsittelyn muodot , kuten signaalivahvistimen ja analogia -digitaalimuuntimen .
Integroidulla piirillä voi olla täydellinen, mielivaltaisen monimutkainen toiminnallisuus - jopa koko mikrotietokone ( yksisiruinen mikrotietokone ).
Analoginen integroitu ( mikro ) piiri ( AIS , AIMS ) on integroitu piiri, jonka tulo- ja lähtösignaalit muuttuvat jatkuvan funktion lain mukaan (eli ne ovat analogisia signaaleja ).
Texas Instruments loi laboratorionäytteen analogisesta IC:stä Yhdysvalloissa vuonna 1958 . Se oli vaihesiirtogeneraattori . Vuonna 1962 ilmestyi ensimmäinen sarja analogisia mikropiirejä - SN52. Siinä oli pienitehoinen matalataajuinen vahvistin , operaatiovahvistin ja videovahvistin [14] .
Neuvostoliitossa saatiin suuri valikoima analogisia integroituja piirejä 1970-luvun loppuun mennessä. Niiden käyttö mahdollisti laitteiden luotettavuuden lisäämisen, laitteiden asennuksen yksinkertaistamisen ja usein jopa huoltotarpeen poistamisen käytön aikana [15] .
Alla on osittainen luettelo laitteista, joiden toiminnot voidaan suorittaa analogisilla IC:illä. Usein yksi mikropiiri korvaa niitä useita kerralla (esimerkiksi K174XA42 sisältää kaikki superheterodyne - FM -radiovastaanottimen solmut [16] ).
Analogisia mikropiirejä käytetään äänenvahvistus- ja äänentoistolaitteissa, videonauhureissa , televisioissa , viestintätekniikassa, mittauslaitteissa, analogisissa tietokoneissa , toissijaisissa virtalähteissä jne.
Analogisissa tietokoneissaDigitaalinen integroitu piiri (digitaalinen piiri) on integroitu piiri, joka on suunniteltu muuntamaan ja käsittelemään signaaleja , jotka muuttuvat diskreetin funktion lain mukaan.
Digitaaliset integroidut piirit perustuvat transistorikytkimiin, jotka voivat olla kahdessa vakaassa tilassa: auki ja kiinni. Transistorikytkimien käyttö mahdollistaa erilaisten logiikka-, laukaisu- ja muiden integroitujen piirien luomisen. Digitaalisia integroituja piirejä käytetään erillisissä tietojenkäsittelylaitteissa elektronisille tietokoneille ( tietokoneille ), automaatiojärjestelmille jne.
Digitaalisilla integroiduilla piireillä on useita etuja analogisiin verrattuna:
Analogista digitaaliseen integroitu piiri (analogista digitaaliseen mikropiiri) on integroitu piiri, joka on suunniteltu muuttamaan diskreetin funktion lain mukaan muuttuvat signaalit signaaleiksi, jotka muuttuvat jatkuvan funktion lain mukaan ja päinvastoin.
Usein yksi mikropiiri suorittaa useiden laitteiden toimintoja kerralla (esimerkiksi peräkkäiset approksimaatio-ADC:t sisältävät DAC:n, joten ne voivat suorittaa kaksisuuntaisia muunnoksia). Luettelo laitteista (epätäydellinen), joiden toiminnot voidaan suorittaa analogisista digitaalisiin IC:illä:
Analogisten mikropiirien pääelementti ovat transistorit ( bipolaarinen tai kenttä ). Transistorin valmistustekniikan ero vaikuttaa merkittävästi mikropiirien ominaisuuksiin. Siksi valmistustekniikka mainitaan usein mikropiirin kuvauksessa, jotta voidaan korostaa mikropiirin ominaisuuksien ja ominaisuuksien yleisiä ominaisuuksia. Nykyaikaiset tekniikat yhdistävät bipolaari- ja kenttätransistoriteknologiat parantaakseen sirun suorituskykyä.
Suunnittelutasot:
yhtä hyvin kuin
Tällä hetkellä (2022) suurin osa integroiduista piireistä on suunniteltu käyttämällä erikoistuneita CAD-järjestelmiä , joiden avulla voit automatisoida ja nopeuttaa merkittävästi tuotantoprosesseja , esimerkiksi topologisten fotomaskien hankkimista.
Tällä hetkellä analogisia mikropiirejä valmistavat monet yritykset: Analog Devices , Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments jne.
Siirtyminen submikronin kokoisiin integroitujen elementtien kokoon vaikeuttaa AIMS:n suunnittelua. Esimerkiksi MOSFETeillä , joilla on lyhyt porttipituus , on useita ominaisuuksia, jotka rajoittavat niiden käyttöä analogisissa lohkoissa: korkea matalataajuinen välkyntäkohina ; kynnysjännitteen ja kaltevuuden voimakas leviäminen, mikä johtaa differentiaali- ja operaatiovahvistimien suuren offset-jännitteen ilmaantumiseen ; alhainen teho, matala signaalivastus ja kaskadien vahvistus aktiivisella kuormalla ; pn-liitosten alhainen läpilyöntijännite ja nielu - lähdeväli , mikä aiheuttaa syöttöjännitteen laskun ja dynaamisen alueen pienenemisen [22] .
Tekniikat logiikkatyypeittäin:
Käyttämällä samantyyppisiä transistoreita mikropiirejä voidaan rakentaa eri menetelmillä, kuten staattisilla tai dynaamisilla .
CMOS- ja TTL (TTLSh) -tekniikat ovat yleisimpiä sirulogiikoita. Kun virrankulutusta on tarpeen säästää, käytetään CMOS-tekniikkaa, missä nopeus on tärkeämpi eikä virrankulutusta vaadita, käytetään TTL-tekniikkaa. CMOS-mikropiirien heikko kohta on haavoittuvuus staattiselle sähkölle - riittää, että kosketat mikropiirin lähtöä kädelläsi, eikä sen eheyttä enää taata. TTL- ja CMOS-teknologioiden kehittymisen myötä mikropiirit lähestyvät parametrien suhteen ja sen seurauksena esimerkiksi 1564-sarjan mikropiirit valmistetaan CMOS-tekniikalla ja toiminnallisuus ja sijoitus kotelossa on samanlainen kuin TTL:ssä. teknologiaa.
ESL-teknologialla valmistetut sirut ovat nopeimpia, mutta myös energiaa kuluttavimpia, ja niitä käytettiin tietokonetekniikan tuotannossa tapauksissa, joissa tärkein parametri oli laskentanopeus. Neuvostoliitossa tuottavimmat ES106x-tyypin tietokoneet valmistettiin ESL-mikropiireillä. Nykyään tätä tekniikkaa käytetään harvoin.
Puolijohdemikropiiri - kaikki elementit ja elementtien väliset liitännät tehdään yhdelle puolijohdekiteelle (substraatille).
Substraatti - yleensä yksikidepuolijohdekiekko , joka on suunniteltu luomaan kalvoja , heterorakenteita ja kasvattamaan yksikidekerroksia käyttämällä epitaksiprosessia ( heteroepitaksia , homoepitaksia , endotaksia ), kiteytysprosessia jne . [23] Pii , germanium , galliumarsenidi , lasi - keramiikka [24] , safiiri on yksi mikropiirien substraattien materiaaleista.
Mikropiirien valmistuksessa käytetään fotolitografiamenetelmää (projektio, kosketus jne.), kun taas piiri muodostetaan substraatille (yleensä pii ), joka on saatu leikkaamalla piin yksittäiskiteitä ohuiksi kiekoiksi timanttilevyillä. Mikropiirien elementtien lineaaristen mittojen pienuuden vuoksi hylättiin näkyvän valon ja jopa lähellä ultraviolettisäteilyn käyttö valaistuksen aikana.
Mikrosirun valmistusprosessin ominaispiirteenä valotoistimen topologian vähimmäisohjatut mitat (kosketusikkunat piioksidissa, portin leveys transistoreissa jne.) ja sen seurauksena transistorien (ja muiden elementtien) mitat sirulla on merkitty. Tämä parametri on kuitenkin riippuvainen useista muista tuotantomahdollisuuksista: saadun piin puhtaudesta, injektorien ominaisuuksista, fotolitografiamenetelmistä, etsaus- ja sputterointimenetelmistä .
1970 -luvulla massatuotettujen mikropiirien pienin ohjattava koko oli 2-8 µm , 1980-luvulla se pienennettiin 0,5-2 µm:iin [25] .
1990 -luvulla uuden "alustasodan" myötä kokeellisia menetelmiä alettiin tuoda tuotantoon ja parantaa nopeasti: 1990-luvun alussa prosessorit (esimerkiksi varhaiset Pentium ja Pentium Pro ) valmistettiin käyttämällä 0,5-0,6 mikronitekniikka (500-600 nm), sitten tekniikka saavutti 250-350 nm. Seuraavat prosessorit ( Pentium II , K 6-2 + , Athlon ) valmistettiin jo 180 nm tekniikalla. Vuosina 2002-2004 hallittiin 90 nm:n valmistusprosesseja (Winchester AMD 64, Prescott Pentium 4) [25] .
Seuraavat prosessorit valmistettiin käyttämällä UV-valoa ( ArF excimer laser , aallonpituus 193 nm). Alan johtajat ottivat ITRS-suunnitelman mukaisesti käyttöön uusia teknisiä prosesseja keskimäärin kahden vuoden välein, samalla kun transistorien määrä pinta-alayksikköä kohti kaksinkertaistui: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) [ 26] [27] , 14 nm (2014) [28] , 10 nm (2018), 5 nm (2020), 3 nm (2022) [29] .
Vuonna 2015 arvioitiin uusien teknisten prosessien käyttöönoton hidastuvan [30] .
Integroitujen piirien laadun valvomiseksi käytetään laajalti niin kutsuttuja testirakenteita .
Analogisia ja digitaalisia mikropiirejä valmistetaan sarjassa. Sarja on ryhmä mikropiirejä, joilla on yksi suunnittelu ja tekninen suunnittelu ja jotka on tarkoitettu yhteiskäyttöön. Saman sarjan mikropiireillä on pääsääntöisesti samat virtalähteiden jännitteet, ne on sovitettu tulo- ja lähtöresistanssien, signaalitasojen suhteen.
Mikropiirikotelo on rakenne, joka on suunniteltu suojaamaan mikropiirikidettä ulkoisilta vaikutuksilta sekä helpottamaan mikropiirin asentamista elektroniseen piiriin. Se sisältää itse rungon, joka on valmistettu dielektrisestä materiaalista (muovista, harvemmin keramiikasta), joukon johtimia kiteen sähköiseen kytkemiseen ulkoisiin piireihin johtimien avulla , merkintä.
Mikropiiripakkauksille on monia vaihtoehtoja, jotka eroavat mikropiirin nastojen lukumäärästä, asennustavoista ja käyttöolosuhteista. Asennustekniikan yksinkertaistamiseksi mikropiirien valmistajat yrittävät yhtenäistää paketteja kehittämällä kansainvälisiä standardeja.
Joskus mikropiirit valmistetaan kehyksettömällä mallilla - eli kristalli ilman suojaa. Pakkauksettomat sirut on yleensä suunniteltu asennettavaksi hybridimikrokokoonpanoon. Massahalvoille tuotteille on mahdollista asentaa suoraan piirilevylle .
Intel valmisti ensimmäisenä mikropiirin, joka suoritti mikroprosessorin ( englanniksi mikroprosessorin ) toiminnot - Intel 4004 . IBM julkaisi tunnetut henkilökohtaiset tietokoneensa paranneltuihin 8088- ja 8086 - mikroprosessoreihin perustuen .
Mikroprosessori muodostaa tietokoneen ytimen, lisätoiminnot, kuten viestintä oheislaitteiden kanssa, suoritettiin käyttämällä erityisesti suunniteltuja piirisarjoja ( piirisarja ). Ensimmäisissä tietokoneissa sirujen lukumääräksi arvioitiin kymmeniä ja satoja; nykyaikaisissa järjestelmissä tämä on yhden, kahden tai kolmen sirun sarja. Viime aikoina on ollut suuntauksia, joissa piirisarjan toiminnot (muistiohjain, PCI Express -väyläohjain ) siirretään asteittain prosessorille.
Mikroprosessoreita, joissa on sisäänrakennettu RAM ja ROM , muisti- ja I/O-ohjaimet ja muut lisätoiminnot, kutsutaan mikrokontrollereiksi .
Vuonna 2017 integroitujen piirien maailmanlaajuisten markkinoiden arvoksi arvioitiin 700 miljardia dollaria [31]
Tärkeimmät tuottajat ja viejät ovat Aasiassa: Singapore (115 miljardia dollaria), Etelä-Korea (104 miljardia dollaria), Kiina (80,1 miljardia dollaria) ja Malesia (55,7 miljardia dollaria). Suurin eurooppalainen viejä on Saksa (1,4 miljardia dollaria), amerikkalainen on Yhdysvallat (28,9 miljardia dollaria). Suurimmat maahantuojat ovat Kiina (207 miljardia dollaria), Hongkong (168 miljardia dollaria), Singapore (57,8 miljardia dollaria), Etelä-Korea (38,6 miljardia dollaria) ja Malesia (37,3 miljardia dollaria).
Venäjän lainsäädäntö tarjoaa laillisen suojan integroitujen piirien topologioille. Integroidun piirin topologia on integroidun piirin elementtijoukon ja niiden välisten yhteyksien tilageometrinen järjestely, joka on kiinnitetty materiaalialustalle ( Venäjän federaation siviililain 1448 artikla ).
Integroidun piirin topologian tekijä omistaa seuraavat immateriaalioikeudet:
Integroidun piirin topologian tekijällä on myös muita oikeuksia, mukaan lukien oikeus korvaukseen palvelutopologian käytöstä.
Topologian yksinoikeus on voimassa kymmenen vuotta. Oikeudenhaltija voi tänä aikana halutessaan rekisteröidä topologian liittovaltion henkisen omaisuuden, patenttien ja tavaramerkkien palvelukseen . [32]
Sanakirjat ja tietosanakirjat | ||||
---|---|---|---|---|
|
Puolijohdepakettityypit | |
---|---|
Kaksoislähtö |
|
Kolmipiikkinen | |
Päätelmät yhdellä rivillä | SIP/SIL |
Johtopäätökset kahdella rivillä |
|
Pistorasiat neljällä sivulla | |
Matriisi nastat | |
Tekniikka | |
Katso myös |
|