Mavzu: Raqamli integral sxemalarining rusumlash va belgilash tizimlari
Reja:
Kirish
Intergal sxemalar
Intergal sxemalarini rusumlash
Intergal sxemalarini belgilash tizimlari
Natija
Kirish
Integral mikrosxemalar texnologik yutuqlar bilan amaliylashtirildi metall-oksid-kremniy (MOS) yarimo'tkazgich moslamasini ishlab chiqarish. 1960-yillarda paydo bo'lganidan beri mikrosxemalar hajmi, tezligi va hajmi bir xil o'lchamdagi chiplarga tobora ko'proq MOS tranzistorlarini sig'diradigan texnik yutuqlar tufayli juda o'sib bordi - zamonaviy chip ko'plab milliardlab MOS tranzistorlariga ega bo'lishi mumkin. odam tirnoqining kattaligi. Taxminan quyidagi yutuqlar Mur qonuni, bugungi kunda kompyuter chiplari 1970-yillarning boshlaridagi kompyuter chiplari hajmidan millionlab marta va tezligidan minglab baravar ko'p bo'lishini ta'minlash.
IClar ikkita asosiy afzalliklarga ega diskret davrlar: xarajat va ishlash. Narxlari past, chunki mikrosxemalar barcha komponentlari bilan birlik sifatida chop etiladi fotolitografiya bir vaqtning o'zida bitta tranzistor qurishdan ko'ra. Bundan tashqari, qadoqlangan IClar diskret davrlarga qaraganda ancha kam materialdan foydalanadi. Ishlash darajasi yuqori, chunki IC tarkibiy qismlari tez o'zgaradi va kichik o'lchamlari va yaqinligi sababli nisbatan kam quvvat sarflaydi. IClarning asosiy kamchiliklari ularni loyihalash uchun yuqori xarajatdir va uydirma talab qilinadi fotomasklar. Ushbu yuqori boshlang'ich narx IClar faqat qachon tijorat maqsadlarida foydalanish mumkinligini anglatadi yuqori ishlab chiqarish hajmi kutilmoqda. Bir nechta komponentlarni bitta qurilmada (zamonaviy IClar singari) birlashtirishga dastlabki
urinish bu edi Loewe 3NF 1920-yillardan vakuum trubkasi. IClardan farqli o'laroq, u maqsadga muvofiq ishlab chiqilgan soliqlardan qochish, Germaniyada bo'lgani kabi, radio qabul qiluvchilarda ham radio qabul qilgichning qancha trubka egasiga ega bo'lishiga qarab olinadigan soliq bor edi. Bu radio qabul qiluvchilarning bitta trubka ushlagichiga ega bo'lishiga imkon berdi.
Integral mikrosxemaning dastlabki tushunchalari 1949 yilda, nemis muhandisi Verner Jakobidan boshlanadi[4] (Siemens AG)[5] integral mikrosxemaga o'xshash yarimo'tkazgichli kuchaytiruvchi qurilmaga patent topshirdi[6] beshta ko'rsatmoqda tranzistorlar uch bosqichda umumiy substratda kuchaytirgich tartibga solish. Jakobi kichik va arzon narxlarni oshkor qildi eshitish vositalari uning patentiga xos sanoat talabnomalari sifatida. Uning patentidan darhol tijorat maqsadlarida foydalanish to'g'risida xabar berilmagan.
Ushbu kontseptsiyaning yana bir dastlabki tarafdori edi Jefri Dammer (1909–2002), uchun ishlaydigan radar olimi Qirollik radiolokatsiya tizimi inglizlarning Mudofaa vazirligi. Dummer ushbu g'oyani jamoatchilikka Sifatdagi elektron komponentlarning rivojlanishi bo'yicha simpoziumda taqdim etdi Vashington, Kolumbiya 1952 yil 7-mayda.[7] U o'zining g'oyalarini targ'ib qilish uchun ko'plab simpoziumlarni berdi va 1956 yilda bunday sxemani qurishga muvaffaq bo'lmagan. 1953-1957 yillarda Sidni Darlington va Yasuro Tarui (Elektrotexnika laboratoriyasi) bir nechta tranzistorlar umumiy
faol maydonni baham ko'rishi mumkin bo'lgan o'xshash chip dizaynlarini taklif qildi, ammo yo'q edi elektr izolyatsiyasi ularni bir-biridan ajratish. Monolitik integral mikrosxemasi yoqilgan Mohamed M. Atalla"s sirt passivatsiyasi elektr stabillashadigan jarayon kremniy orqali yuzalar termal oksidlanish, buni amalga oshirish uydirma kremniydan foydalangan holda yaxlit integral mikrosxemalar. Bu uchun asos bo'ldi tekislik jarayonitomonidan ishlab chiqilgan Jan Xerni da Fairchild Semiconductor 1959 yil boshida, bu monolitik integral mikrosxemaning ixtirosi uchun juda muhim edi.[8][9][10] Monolitik ICning asosiy tushunchasi bu printsipdir p – n tutashuv izolyatsiyasi, bu har bir tranzistorning bir xil kremniy qismiga qaramasdan mustaqil ishlashiga imkon beradi. Atallaning sirt passivatsiyasi jarayoni izolyatsiya qilingan diodlar va tranzistorlar,[11] tomonidan bitta silikon parchasida mustaqil tranzistorlarga uzatilgan Kurt Lexovec da Sprague Electric 1959 yilda,[12] va keyin mustaqil ravishda Robert Noys o'sha yili Fairchildda.
Dizayn Narxi loyihalash va murakkab integral mikrosxemani ishlab chiqish juda yuqori, odatda bir necha o'n million dollar.[63][64] Shuning uchun, ishlab chiqarish hajmi yuqori bo'lgan integral mikrosxemalar mahsulotlarini ishlab chiqarish faqat iqtisodiy ma'noga ega, shuning uchun takrorlanmaydigan muhandislik (NRE) xarajatlar odatda millionlab ishlab chiqarish birliklariga tarqaladi.
Zamonaviy yarimo'tkazgich mikrosxemalari milliardlab tarkibiy qismlarga ega bo'lib, ularni qo'lda loyihalash uchun juda murakkab. Dizaynerga yordam beradigan dasturiy vositalar juda muhimdir. Elektron dizaynni avtomatlashtirish (EDA), shuningdek, elektron deb nomlanadi Kompyuter yordamida loyihalash (ECAD),[65] toifasi dasturiy vositalar loyihalash uchun elektron tizimlarshu jumladan integral mikrosxemalar. Asboblar a da birgalikda ishlaydi dizayn oqimi muhandislar butun yarimo'tkazgich chiplarini loyihalash va tahlil qilish uchun foydalanadilar. 1980-yillarda, dasturlashtiriladigan mantiqiy qurilmalar ishlab chiqilgan. Ushbu qurilmalar integral mikrosxemalar ishlab chiqaruvchisi tomonidan o'rnatilmasdan, mantiqiy funktsiyasi va ulanishi foydalanuvchi tomonidan dasturlashtirilishi mumkin bo'lgan sxemalarni o'z ichiga oladi. Bu kabi bir xil LSI tipidagi funktsiyalarni amalga oshirish uchun bitta chipni dasturlash imkonini beradi mantiq eshiklari, qo'shimchalar va registrlar. Dasturlash imkoniyati kamida to'rtta shaklga ega - ular bo'lishi mumkin bo'lgan qurilmalar faqat bir marta dasturlashtirilgan, o'chirilishi va keyin qayta dasturlashtirilishi mumkin bo'lgan qurilmalar ultrabinafsha nurlaridan foydalanish, yordamida dasturlash mumkin bo'lgan qurilmalar (qayta) flesh xotirava maydonda dasturlashtiriladigan darvoza massivlari Istalgan vaqtda, shu jumladan ish paytida dasturlash mumkin bo'lgan (FPGA). Amaldagi FPGA'lar (2016 yil holatiga ko'ra) millionlab eshiklarning ekvivalentini amalga oshirishi va ishlashi mumkin chastotalar 1 ga qadar Gigagertsli.[70]
Kabi analog IClar sensorlar, quvvatni boshqarish davrlariva operatsion kuchaytirgichlar (op-amps), ishlov berish orqali ishlash uzluksiz signallar. Kabi analog funktsiyalarni bajaradilar kuchaytirish, faol filtrlash, demodulatsiyava aralashtirish. Analog IClar noldan qiyin analog zanjirni loyihalashtirish va / yoki qurish o'rniga mutaxassislar tomonidan ishlab chiqilgan analog zanjirlarga ega bo'lishlari bilan elektron dizaynerlarning yukini engillashtiradi.
Kabi funktsiyalarni yaratish uchun IClar analog va raqamli davrlarni bitta chipda birlashtirishi mumkin analog-raqamli konvertorlar va raqamli-analogli konvertorlar. Bunday aralash signalli sxemalar kichik o'lchamlarni va arzonroq narxlarni taklif qiladi, ammo signal aralashuvini diqqat bilan hisobga olish kerak. 1990-yillarning oxiriga qadar, radiolar bir xil arzon narxda to'qib bo'lmaydi CMOS jarayonlar mikroprotsessor sifatida. Ammo 1998 yildan buyon ko'plab radiochipslar ishlab chiqilgan RF CMOS jarayonlar. Bunga Intel kompaniyalarini misol keltirish mumkin DECT simsiz telefon yoki 802.11 (Wi-fi) tomonidan yaratilgan chiplar Ateros va boshqa kompaniyalarIntegral mikrosxemalar har biri fotolitografiya bilan aniqlangan va odatda har xil ranglarda ko'rsatilgan bir-birining ustiga chiqadigan ko'plab qatlamlardan tashkil topgan. Ba'zi qatlamlar har xil dopantlarning substratga tarqalishini belgilaydi (diffuzion qatlamlar deb ataladi), ba'zilari qo'shimcha ionlar implantatsiya qilinadigan joyni (implantatsiya qatlamlari), ba'zilari o'tkazgichlarni (dopinglangan polisilikon yoki metall qatlamlar), boshqalari o'tkazuvchi qatlamlar orasidagi bog'lanishni belgilaydi. (qatlamlar
orqali yoki aloqa qilish). Barcha komponentlar ushbu qatlamlarning o'ziga xos birikmasidan qurilgan.
O'z-o'zidan moslashtirilgan holda CMOS jarayon, a tranzistor darvoza qatlami (polisilikon yoki metall) diffuziya qatlamini kesib o'tgan joyda hosil bo'ladi.
Imkoniyatli tuzilmalar, shaklida juda o'xshash parallel o'tkazgich plitalari an'anaviy elektr kondansatör, "plitalar" maydoniga qarab, plitalar orasidagi izolyatsion material bilan hosil bo'ladi. IClarda keng ko'lamdagi kondansatörler keng tarqalgan.
Ba'zan chipdagi hosil qilish uchun turli uzunlikdagi chiziqlar ishlatiladi rezistorlareng ko'p bo'lsa ham mantiqiy davrlar har qanday qarshilikka muhtoj emasmiz. Qarshilikka chidamliligi bilan birlashtirilgan rezistiv strukturaning uzunligini uning kengligiga nisbati qarshilikni aniqlaydi.
Kamdan-kam hollarda, induktiv tuzilmalar ularni mikrosxemalar kabi o'ralgan yoki simulyatsiya qilingan holda qurish mumkin gyratorlar.
CMOS qurilmasi faqat oqimni tortib olganligi sababli o'tish o'rtasida mantiq davlatlar, CMOS qurilmalari nisbatan kamroq oqim sarflaydi bipolyar o'tish transistorlari qurilmalar. A tezkor xotira integral mikrosxemaning eng muntazam turi; eng yuqori zichlikdagi qurilmalar shu tariqa xotiralar; lekin hatto a mikroprotsessor chipda xotira bo'ladi. (Birinchi rasmning pastki qismidagi muntazam massiv tuzilishini ko'ring.[qaysi?]) Garchi konstruktsiyalar murakkab bo'lsa ham - kengliklari o'nlab yillar davomida qisqarib bormoqda - qurilma
kengliklariga qaraganda qatlamlar juda nozik bo'lib qolmoqda. Materiallar qatlamlari yorug'lik bo'lishiga qaramay fotografik jarayonga o'xshab to'qilgan to'lqinlar ichida ko'rinadigan spektr material qatlamini "ochish" uchun ishlatib bo'lmaydi, chunki ular xususiyatlar uchun juda katta bo'ladi. Shunday qilib fotonlar yuqori chastotalar (odatda ultrabinafsha) har bir qatlam uchun naqshlarni yaratish uchun ishlatiladi. Har bir xususiyat juda kichik bo'lgani uchun, elektron mikroskoplar a uchun muhim vositalar jarayon bo'lishi mumkin bo'lgan muhandis disk raskadrovka uydirma jarayoni.
Har bir qurilma qadoqlashdan oldin avtomatlashtirilgan sinov uskunalari (ATE) yordamida sinovdan o'tkaziladi gofret sinoviyoki gofretni tekshirish. Keyin gofret to'rtburchaklar bloklarga bo'linib, ularning har biri a deb nomlanadi o'lmoq. Har bir yaxshi o'lim (ko'plik) zar, o'ladi, yoki o'lmoq) yordamida paketga ulanadi alyuminiy (yoki oltin) bog'lovchi simlar qaysiki termoson bilan bog'langan[73] ga prokladkalar, odatda o'limning chekkasida joylashgan. Termosonik bog'lanish birinchi bo'lib tashqi dunyo bilan ushbu muhim elektr aloqalarini shakllantirishning ishonchli vositasini taqdim etgan A.Kukulalar tomonidan kiritilgan. Paketdan so'ng, qurilmalar gofretni tekshirish paytida ishlatiladigan bir xil yoki o'xshash ATE-da yakuniy sinovdan o'tadi. Sanoat tomografiyasini skanerlash ham ishlatilishi mumkin. Sinov narxi arzonroq mahsulotlarni ishlab chiqarish narxining 25% dan ortig'ini tashkil qilishi mumkin, ammo kam rentabellikga ega, katta va yuqori narxlardagi qurilmalarda ahamiyatsiz bo'lishi mumkin. Integral
mikrosxemaning har bir qatlamini suratga olish va tayyorlash orqali nusxalash imkoniyati fotomasklar olingan fotosuratlar asosida uni ishlab chiqarish uchun maketlarni loyihalashni muhofaza qilish to'g'risidagi qonun hujjatlarini kiritish uchun sababdir. The 1984 yil yarimo'tkazgich chiplarini himoya qilish to'g'risidagi qonun integral mikrosxemalarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan fotomasklar uchun intellektual mulkni himoya qilish.[80]
Vashington shahrida 1989 yilda diplomatik konferentsiya bo'lib o'tdi, unda integral mikrosxemalarga nisbatan intellektual mulk to'g'risidagi Shartnoma qabul qilindi.[81] (IPIC shartnomasi).
Vashington shartnomasi yoki IPIC shartnomasi (1989 yil 26 mayda Vashingtonda imzolangan) deb nomlangan integral mikrosxemalarga nisbatan intellektual mulk to'g'risidagi shartnoma hozirda amalda emas, ammo qisman TRIPS kelishuv.[82]
Bir qator mamlakatlarda, shu jumladan Yaponiyada IC layout dizaynini himoya qiluvchi milliy qonunlar qabul qilingan,[83] The EC,[84] Buyuk Britaniya, Avstraliya va Koreya. Buyuk Britaniya mualliflik huquqi, dizayn va patent to'g'risidagi qonunni qabul qildi, 1988 yil, v. 48, § 213, dastlab mualliflik huquqi to'g'risidagi qonun chip topografiyalarini to'liq himoya qiladi degan pozitsiyani olganidan keyin. Qarang British Leyland Motor Corp. Armstrong Patents Co.
AQSh chip ishlab chiqarishi tomonidan qabul qilingan Buyuk Britaniyaning mualliflik huquqi yondashuvining nomuvofiqligi haqidagi tanqidlar chiplarga oid keyingi ishlanmalarda bayon etilgan.[85]
Avstraliya 1989 yilda "O'chirish tartibi to'g'risidagi qonun" ni a sui generis chiplardan himoya qilish shakli. Koreya o'tgan Yarimo'tkazgichli integral mikrosxemalarni loyihalashtirishga oid dalolatnoma. Oddiy integral mikrosxemalarning dastlabki kunlarida texnologiyaning keng ko'lami har bir chipni faqat bir nechtasi bilan cheklab qo'ydi tranzistorlarva past darajadagi integratsiya dizayni jarayoni nisbatan sodda ekanligini anglatardi. Ishlab chiqarish samaradorligi bugungi kun me'yorlari bo'yicha ham ancha past edi. Sifatida metall-oksid-yarim o'tkazgich (MOS) texnologiyasi rivojlanib, millionlab, so'ngra milliardlab MOS tranzistorlari bitta chipga joylashtirilishi mumkin,[87] va yaxshi dizaynlar puxta rejalashtirishni talab qilib, maydonni keltirib chiqardi elektron dizaynni avtomatlashtirishyoki EDA. Kichik miqyosdagi integratsiya (SSI) Birinchi integral mikrosxemalarda faqat bir nechta tranzistorlar mavjud edi. O'nlab tranzistorlarni o'z ichiga olgan dastlabki raqamli davrlar bir nechta mantiqiy eshiklarni va Plessey SL201 yoki Flibs TAA320 ikkita tranzistorga ega edi. O'shandan beri integral mikrosxemadagi tranzistorlar soni keskin oshdi. "Katta miqyosli
integratsiya" (LSI) atamasi birinchi marta tomonidan ishlatilgan IBM olim Rolf Landauer nazariy kontseptsiyani tavsiflashda;[90] bu atama "kichik miqyosli integratsiya" (SSI), "o'rta miqyosdagi integratsiya" (MSI), "juda katta miqyosdagi integratsiya" (VLSI) va "o'ta katta ko'lamli integratsiya" (ULSI) atamalarini keltirib chiqardi. ). Dastlabki integral mikrosxemalar SSI edi.
SSI davrlari erta uchun juda muhim edi aerokosmik loyihalar va aerokosmik loyihalar texnologiyani rivojlantirishga yordam berdi. Ikkalasi ham Minuteman raketasi va Apollon dasturi ularning inertial rahbarlik tizimlari uchun engil raqamli kompyuterlar kerak edi. Garchi Apollon qo'llanmasi etakchi va g'ayratli integral mikrosxemalar texnologiyasi,[91] uni ommaviy ishlab chiqarishga majbur qilgan Minuteman raketasi edi. Minuteman raketa dasturi va boshqalar Amerika Qo'shma Shtatlari dengiz kuchlari dasturlar 1962 yilda jami 4 million dollarlik integral mikrosxemalar bozorini tashkil etdi va 1968 yilga kelib AQSh hukumati tomonidan sarflangan xarajatlar bo'sh joy va mudofaa hali ham 312 million dollarlik umumiy ishlab chiqarishning 37 foizini tashkil etdi.
AQSh hukumati tomonidan talab yangi tashkil etilayotgan integral mikrosxemalar bozorini qo'llab-quvvatladi, chunki xarajatlar IC firmalariga kirib borish uchun etarli darajada pasayguncha sanoat bozor va oxir-oqibat iste'molchi bozor. Integral sxemaning o'rtacha narxi 1962 yildagi 50,00 dollardan 1968 yilda 2,33 dollarga tushdi.[92] Integratsiyalashgan sxemalar paydo bo'la boshladi iste'mol
mahsulotlari 1970 yillarning boshiga kelib. Odatiy dastur edi FM televidenie qabul qiluvchilarida tashuvchilararo ovozni qayta ishlash. O'rta miqyosdagi integratsiya (MSI)
Integral mikrosxemalarni ishlab chiqishning navbatdagi bosqichida har bir mikrosxemada yuzlab tranzistorlar joylashgan "o'rta miqyosli integratsiya" (MSI) deb nomlangan qurilmalar paydo bo'ldi.
MOSFET miqyosi texnologiya yuqori zichlikdagi chiplarni yaratishga imkon berdi.[31] 1964 yilga kelib MOS chiplari yuqori darajaga ko'tarildi tranzistor zichligi va ishlab chiqarish xarajatlari nisbatan past ikki qutbli chiplar.[39]
1964 yilda, Frank Uanlass bitta chipli 16 bitli namoyish qildi smenali registr u keyinchalik 120 ni yaratgan MOS tranzistorlari bitta chipda.[93][94] Xuddi shu yili, Umumiy mikroelektronika birinchi reklama rolikini taqdim etdi MOS integral mikrosxemasi 120 dan iborat chip p-kanal MOS tranzistorlar.[38] Bu 20-bit edi smenali registr, Robert Norman tomonidan ishlab chiqilgan[37] va Frank Uanlass.[95] MOS chiplari murakkablikda oldindan taxmin qilingan darajada oshdi Mur qonuni, yuzlab chiplarga olib keladi MOSFETlar 1960-yillarning oxiriga kelib chipdaKeng miqyosli integratsiya (LSI)
Xuddi shu MOSFET masshtablash texnologiyasi va iqtisodiy omillar asosida olib borilgan keyingi rivojlanish, 1970-yillarning o'rtalariga
kelib "keng miqyosli integratsiya" ga (LSI) olib keldi va har bir chip uchun o'n minglab tranzistorlar to'g'ri keldi.[96]
SSI, MSI va LSI va VLSI qurilmalarini qayta ishlash va ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan maskalar (masalan, 1970-yillarning boshlaridagi mikroprotsessorlar) asosan qo'lda yaratilgan, ko'pincha Rubilitlenta yoki shunga o'xshash narsalar.[97] Katta yoki murakkab IC uchun (masalan xotiralar yoki protsessorlar), bu ko'pincha muhandislar guruhi nazorati ostida joylashtirilgan elektron sxemani boshqaradigan maxsus yollangan mutaxassislar tomonidan amalga oshirilgan, ular shuningdek, elektron dizaynerlar bilan birgalikda tekshirishadi va to'g'riligini va to'liqligini tekshiring har bir niqob.
1970-yillarning boshlarida o'rtacha miqdorda ishlab chiqarila boshlangan 1K-bitli operativ xotira, kalkulyator chiplari va birinchi mikroprotsessorlar kabi integral mikrosxemalar 4000 dan kam tranzistorga ega edi. Kompyuterning asosiy xotiralari va ikkinchi avlod mikroprotsessorlari uchun 10 000 tranzistorga yaqinlashadigan haqiqiy LSI sxemalari 1974 yil atrofida ishlab chiqarila boshlandi.
Kabi ba'zi SSI va MSI chiplari alohida tranzistorlar, hanuzgacha eski uskunalarni saqlash va faqat bir nechta eshiklarni talab qiladigan yangi qurilmalarni qurish uchun ommaviy ravishda ishlab chiqarilmoqda. The 7400 seriyali ning TTL masalan, chiplar a ga aylandi amalda standart va ishlab chiqarishda qolmoqda. Ushbu zichlikni oshirish uchun bir nechta rivojlanish kerak edi. Ishlab chiqaruvchilar kichikroqqa o'tdilar
|
