Історія розвитку інтегральної електроніки. Інтегральна схема Перша інтегральна мікросхема з'явилася в

Повернімося до історії виникнення процесорів.

У 60-х роках ніхто й не припускав, що інформаційна революція незабаром розпочнеться. Більше того, навіть самі ентузіасти комп'ютерної справи, впевнені, що за комп'ютерами майбутнє, досить туманно уявляли це барвисте майбутнє. Багато відкриття, які практично перевернули світ і уявлення громадськості про сучасний світоустрій, з'явилися як би самі собою, за помахом чарівної палички, без будь-якого попереднього планування. Характерна у зв'язку історія розробки першого у світі мікропроцесора.

Залишивши Fairchild Semiconductor, Роберт Нойс (Robert Noyce) і автор відомого закону Гордон Мур (Gordon Moore) вирішили заснувати свою компанію (докладніше про Fairchild Semiconductor див. статтю "Біляве дитя" в Upgrade #39 (129) за 2003 рік). Нойс сів за друкарську машинку та надрукував бізнес-план майбутнього кита IT-промисловості, якому судилося змінити світ. Ось повний текст цього бізнес-плану.

"Компанія братиме участь у дослідженнях, розробці, виготовленні та продажу інтегрованих електронних структур, щоб задовольняти потребу промисловості в електронних системах. Вони включатимуть напівпровідникові пристрої в тонкій і товстій оболонці та інші компоненти твердого тіла, що використовуються в гібридних і монолітних інтегрованих структурах.

Різноманітність процесів буде встановлено на лабораторному та виробничому рівнях. Вони включають: вирощування кристалів, розрізання, напуск, полірування, дифузію твердого тіла, фотолітографічне маскування та гравірування, вакуумне напилення, покриття оболонкою, складання, упаковку, тестування. А також розробку та виготовлення спеціальних технологій та випробування обладнання, що потрібне для виконання зазначених процесів.

Вироби можуть включати діоди, транзистори, пристрої з польовим ефектом, фоточутливі елементи, випромінювальні пристрої, інтегральні схеми і підсистеми, що зазвичай характеризуються фразою "інтеграція, що масштабується, із запізненням". Основними користувачами цих продуктів, як очікується, будуть виробники передових електронних систем для комунікації, радарів, контролю та обробки даних. Очікується, що більшість цих клієнтів будуть розташовані за межами Каліфорнії.

З усього видно, що Нойс і Мур були оптимістами, якщо припускали, що хоч хтось на основі цього тексту зможе зрозуміти, чим, власне, займатиметься компанія. З тексту бізнес-плану, однак, видно, що виробництвом мікропроцесорів займатися не передбачалося. Втім, ніхто інший на той час ні про які мікропроцесори не думав. Та й самого слова тоді не було, бо центральний процесор будь-якої ЕОМ того періоду був досить складний агрегат чималого розміру, що складається з декількох вузлів.

На момент складання цього проекту ніхто не міг, звичайно, передбачити, які він принесе доходи. Як би там не було, а в пошуках кредиту Нойс і Мур звернулися до Артура Рока (Arthur Rock) - фінансиста, який раніше допоміг створити Fairchild Semiconductor. І за два дні, як у казці, компаньйони отримали два з половиною мільйони доларів. Це навіть за сьогоднішніми мірками чималі гроші, а в 60-х роках минулого століття це був цілий стан. Якби не висока репутація Нойса та Мура, то навряд чи вони так легко отримали б необхідну суму. Але що добре в США - там завжди є ризикові капіталісти, готові вкласти долар-другий у перспективний бізнес, пов'язаний з новими технологіями. Власне, на цьому й спочиває могутність цієї країни. У сучасній Росії, яка, як чомусь вважається, йде шляхом США, таких капіталістів - удень з вогнем.

Отже, справа, можна сказати, була в капелюсі. Настала черга найприємнішого моменту – вибору для майбутнього флагмана IT-індустрії. Перша назва, що прийшла в голову, була назва, складена з імен батьків - засновників компанії - Moore Noyce. Проте товариші підняли їх на сміх. На думку "експертів", така назва вимовлялася б усіма не інакше як more noise ("багато шуму"), що для компанії, продукція якої повинна була використовуватися в радіопромисловості, було гірше нікуди. Склали список, у якому траплялися такі слова, як COMPTEK, CALCOMP, ESTEK, DISTEK тощо. У результаті Мур і Нойс вибрали назву, що є скороченням від "інтегрована електроніка", - Intel.

На них чекало розчарування - цю назву вже хтось зареєстрував раніше для мережі мотелів. Але, маючи два з половиною мільйони доларів, нескладно викупити назву, що сподобалася. Так компаньйони і вчинили.

Наприкінці 60-х років більшість ЕОМ були обладнані пам'яттю на магнітних сердечниках, і своєю місією такі компанії, як Intel, вважали повсюдне використання "кремнієвої пам'яті". Тому найпершим вирібом, яке запустила у виробництво компанія, була "мікросхема 3101" - 64-розрядна біполярна статична оперативна пам'ять, заснована на бар'єрному діоді Шоттки (див. врізання "Вальтер Шоттки").

Вальтер Шоттки

Бінарні діоди Шоттки названо на честь німецького фізика швейцарського походження Вальтера Шоттки (Walter Shottky, 1886-1976). Шоттки довго та плідно працював на ниві електропровідності. У 1914 року він відкрив явище зростання струму насичення під впливом зовнішнього прискорюючого електричного поля ( " ефект Шоттки " ) і розробив теорію цього ефекту. В 1915 він винайшов електронну лампу з екранною сіткою. У 1918 році Шотткі запропонував супергетеродинний принцип посилення. В 1939 він досліджував властивості потенційного бар'єру, який виникає на межі напівпровідник-метал. В результаті цих досліджень Шоттка розробила теорію напівпровідникових діодів з таким бар'єром, які отримали назву діодів Шоттки. Вальтер Шоттки зробив великий внесок у вивчення процесів, що протікають в електролампах та напівпровідниках. Дослідження Вальтера Шоттки відносяться до фізики твердого тіла, термодинаміки, статистики, електроніки, фізики напівпровідників.

У перший рік після свого створення (1969) Intel принесла своїм власникам ні багато ні мало 2672 доларів прибутку. До повного погашення кредиту залишалося зовсім небагато.

4 замість 12

Сьогодні Intel (як, втім, і AMD) виробляє чіпи для ринкових продажів, але у перші роки свого становлення компанія нерідко робила мікросхеми на замовлення. У квітні 1969 року в Intel звернулися представники японської фірми Busicom, яка займається випуском калькуляторів. Японці почули, що Intel має передову технологію виробництва мікросхем. Для нового настільного калькулятора Busicom хотіла замовити 12 мікросхем різного призначення. Проблема, однак, полягала в тому, що ресурси Intel на той момент не дозволяли виконати таке замовлення. Методика розробки мікросхем сьогодні не дуже відрізняється від тієї, що була наприкінці 60-х років XX століття, щоправда, інструментарій відрізняється дуже помітно.

У ті давнини такі трудомісткі операції, як проектування і тестування, виконувались вручну. Проектувальники викреслювали чернові варіанти на міліметрівці, а креслярі переносили їх на спеціальний вощений папір (восковку). Прототип маски виготовляли шляхом ручного нанесення ліній на великі листи лавсанової плівки. Жодних комп'ютерних систем обчислення схеми та її вузлів ще не існувало. Перевірка правильності проводилася шляхом проходу по всіх лініях зеленим або жовтим фломастером. Сама маска виготовлялася шляхом перенесення креслення з лавсанової плівки на так званий рубіліт – величезні двошарові листи рубінового кольору. Гравірування на рубіліті також здійснювалося вручну. Потім кілька днів доводилося перевіряти ще раз точність гравіювання. Якщо потрібно було прибрати або додати якісь транзистори, це робилося знову-таки вручну, з використанням скальпеля. Лише після ретельної перевірки лист рубіліту передавався виробнику маски. Найменша помилка на будь-якому етапі – і все доводилося починати спочатку. Наприклад, перший тестовий екземпляр "виробу 3101" вийшов 63-розрядним.

Словом, 12 нових мікросхем Intel фізично не могла потягнути. Але Мур і Нойс були не тільки чудовими інженерами, а й підприємцями, у зв'язку з чим їм не хотілося втрачати вигідне замовлення. І тут одному зі співробітників Intel, Теду Хоффу (Ted Hoff), спало на думку, що, якщо компанія не має можливості спроектувати 12 мікросхем, потрібно зробити всього одну універсальну мікросхему, яка за своїми функціональними можливостями замінить їх усі. Інакше висловлюючись, Тед Хофф сформулював ідею мікропроцесора - першого у світі. У липні 1969 року було створено групу з розробки, і почалася. У вересні до групи приєднався також Стен Мазор, що перейшов з Fairchild (Stan Mazor). Контролером від замовника до групи увійшов японець Масатосі Сіма (Masatoshi Shima). Щоб повністю забезпечити роботу калькулятора, необхідно було виготовити не одну, а чотири мікросхеми. Таким чином, замість 12 чіпів потрібно розробити лише чотири, але один з них - універсальний. Виготовленням мікросхем такої складності раніше ніхто не займався.

Італійсько-японська співдружність

У квітні 1970 року до групи виконання замовлення Busicom приєднався новий співробітник. Він прийшов із кузні кадрів для Intel – компанії Fairchild Semiconductor. Звали нового співробітника Федеріко Феджін (Federico Faggin). Йому було 28 років, але майже десять років він займався створенням комп'ютерів. У дев'ятнадцять років Фэджин брав участь у побудові міні-ЕОМ італійської компанії Olivetti. Потім він потрапив до італійського представництва Fairchild, де займався розробкою кількох мікросхем. У 1968 році Федджін залишив Італію і перебрався до США, до лабораторії Fairchild Semiconductor у Пало-Альто.
Стен Мазор показав новому члену групи загальну специфікацію проектованого набору мікросхем та сказав, що наступного дня прилітає представник замовника.

Federico Faggin

Вранці Мазор та Федджін поїхали в аеропорт Сан-Франциско зустрічати Масатосі Сіму. Японцеві не терпілося побачити, що саме зробили люди з Intel за кілька місяців його відсутності. Приїхавши в офіс, Мазор залишив італійця і японця віч-на-віч, а сам розсудливо випарувався. Коли Сіма подивився документи, які йому простягнув Федджін, то його трохи Кіндратій не вистачив: за чотири місяці "інтелівці" не зробили зовсім нічого. Сіма очікував, що за цей час вже закінчиться промальовування схеми чіпів, а побачив лише концепцію у вигляді, яка була на момент його від'їзду в грудні 1969 року. Дух самурая скипів, і Масатосі Сіма дав вихід своєму обуренню. Не менш темпераментний Федджін пояснив Сімі, що якщо той не заспокоїться і не зрозуміє, що вони в одному човні, то проект повний капут. На японця справили враження доводи Феджіна і те, що він, власне, працює в компанії лише кілька днів і не несе відповідальності за зрив графіка. Таким чином, Федеріко Федджін та Масатосі Сіма стали разом працювати над проектуванням схем чіпів.

До цього часу, проте, керівництво компанії Intel, яке дивилося на це замовлення Busicom як на дуже цікавий і в чомусь авантюрний, але все ж таки не найважливіший експеримент, переключило групу Хоффа та Мазора на виготовлення "виробу 1103" - мікросхеми DRAM ємністю 1 кбіт.

Intel 1103 DRAM chip, c. 1970

На той момент саме з виготовленням чіпів пам'яті керівництво Intel пов'язувало майбутнє благополуччя компанії. Виявилося, що Федеріко Феджин був керівником проекту, в якому, крім нього, нікого не було (Сіма, як представник замовника, брав участь лише епізодично). Феджин протягом тижня створив новий, більш реалістичний проектний графік і показав його Сімі. Той відлетів до Японії до штаб-квартири Busicom. Японці, дізнавшись усі деталі, хотіли відмовитися від співпраці з Intel, але все-таки передумали і відіслали Масатосі Сіму назад до США з метою максимально допомогти та прискорити створення набору мікросхем.

Зрештою група крім Феджина поповнилася одним електротехніком та трьома креслярами. Але основна тяжкість роботи все одно лягла на керівника. Спочатку група Феджина взялася за розробку чіпа 4001 - мікросхеми ROM.
Обстановка була дуже знервована, оскільки ніхто до них не робив виробів такої складності. Все доводилося проектувати вручну з нуля. Крім проектування чіпа паралельно потрібно було виготовляти тестове обладнання та розробляти програми тестування.

Деколи Федджін пропадав у лабораторії по 70-80 годин на тиждень, не йдучи додому навіть на ніч. Як він пізніше згадував, йому дуже пощастило, що у березні 1970 року в нього народилася донька та його дружина на кілька місяців поїхала до Італії. Інакше не уникнути йому сімейного скандалу.

У жовтні 1970 року роботи з виготовлення чіпа 4001 було закінчено. Мікросхема працювала бездоганно. Це підвищило рівень довіри до Intel із боку Busicom. У листопаді був готовий і чіп 4003 – мікросхема інтерфейсу з периферією, найпростіша з усього набору. Ще трохи пізніше був готовий 320-бітний модуль динамічної пам'яті 4002. І ось, нарешті, наприкінці грудня 1970 року із заводу для тестування було отримано "вафлі" (так американські фахівці називають кремнієві пластини, на яких "виростили" мікросхеми, але ще не розрізали). Справа була пізно ввечері, і ніхто не бачив, як у Феджіна тряслися руки, коли він завантажував перші дві "вафлі" в пробер (спеціальний пристрій для випробування та тестування). Він сів перед осцилографом, увімкнув кнопку напруги і… нічого, лінія на екрані навіть не сіпнулася. Феджин завантажив наступну "вафлю" - той самий результат. Він був здивований.

Ні, звичайно, ніхто не очікував, що перший досвідчений зразок пристрою, якого ніхто у світі раніше не робив, одразу покаже розрахункові результати. Але щоб на виході взагалі не було сигналу, це був просто удар. Після двадцяти хвилин прискореного серцебиття Феджін вирішив розглянути пластини під мікроскопом. І тут відразу все з'ясувалося: порушення в технологічному процесі, що призвели до того, що деяких міжшарових перемичок на схемах не було! Це було дуже погано, графік злітав, зате Феджин знав: помилка сталася не з його вини. Наступна партія "вафель" надійшла у січні 1971 року. Феджин знову замкнувся в лабораторії і просидів у ній до четвертої ранку. Цього разу все працювало бездоганно. Протягом посиленого тестування в наступні кілька днів все ж таки виявилося кілька незначних помилок, але вони були швидко виправлені. Подібно до художника, який підписує полотно, Феджин поставив на чіп 4004 свої ініціали - FF.

Мікропроцесор як товар

У березні 1971 року Intel відправила до Японії комплект для калькулятора, який складався з одного мікропроцесора (4004), двох 320-бітових модулів динамічної пам'яті (4002), трьох мікросхем інтерфейсу (4003) та чотирьох мікросхем ROM. У квітні з компанії Busicom надійшло повідомлення, що калькулятор працює ідеально. Можна було запускати виробництво. Проте Федеріко Феджін почав палко переконувати керівництво Intel, що безглуздо обмежуватися лише калькуляторами. На його думку, мікропроцесор можна було б використати у багатьох галузях сучасного виробництва. Він був упевнений, що набір мікросхем 400x є самостійною цінністю і може продаватися сам по собі. Його впевненість передалася керівництву. Проте був один загвоздочка - перший у світі мікропроцесор не належав Intel, він належав японській фірмі Busicom! Що тут було робити? Залишалося їхати до Японії та розпочинати переговори про купівлю прав на власну розробку. Так "інтелівці" і вчинили. В результаті компанія Busicom продала права на мікропроцесор 4004 та супутні мікросхеми за шістдесят тисяч доларів.

Обидві сторони залишилися задоволеними. Busicom досі продає калькулятори, а Intel... Керівництво компанії Intel спочатку дивилося на мікропроцесори як на побічний продукт, який сприяє продажам головного товару - модулів оперативної пам'яті. Компанія Intel викинула на ринок свою розробку в листопаді 1971 під назвою MCS-4 (Micro Computer Set).

Дещо пізніше Гордон Мур, озираючись назад, скаже з цього приводу: "Якби автомобілебудування еволюціонувало зі швидкістю напівпровідникової промисловості, то сьогодні "Роллс-ройс" коштував би три долари, міг би проїхати півмільйона миль на одному галоні бензину і було б дешевше його викинути. , чим платити за паркування. Звичайно, якщо порівнювати з нинішніми вимогами, у MCS-4 були далеко не карколомні показники. Та й на початку 70-х ніхто особливо не схвилювався внаслідок появи цієї продукції. В цілому обчислювальна система на основі набору MCS-4 не поступалася найпершим ЕОМ 1950-х років, але на дворі вже були інші часи, і в обчислювальних центрах стояли машини, обчислювальна міць яких пішла далеко вперед.

Intel розгорнула спеціальну пропагандистську кампанію, адресовану інженерам та розробникам. У своїх рекламних оголошеннях Intel доводила, що мікропроцесори, звичайно, не є чимось дуже серйозним, зате їх можна використовувати в різних специфічних областях, типу автоматизації виробництва. Крім калькуляторів набір MCS-4 знайшов собі застосування як контролери для таких пристроїв, як газові насоси, автоматичні аналізатори крові, пристрої контролю вуличного руху.
Що стосується батька першого у світі мікропроцесора, то він був дуже засмучений тим, що Intel ніяк не хоче поглянути на новий пристрій як на основний продукт. Федджін здійснив кілька турів США та Європі, виступаючи в наукових центрах та передових заводах, пропагуючи мікропроцесори. Іноді його та компанію Intel піднімали на сміх.

Справді, аж надто несерйозним тоді виглядала вся ця мікропроцесорна витівка. Феджин взяв участь і в проекті 8008 - створенні восьмибітного мікропроцесора, який багато в чому повторював архітектуру 4004. Однак поступово в ньому наростало почуття образи за те, що в компанії до нього ставляться як просто до хорошого інженера, що справився зі складною, але не дуже важливою роботою. Але він знав, що фактично здійснив світову революцію.

У жовтні 1974 року Федеріко Федджін залишив Intel і заснував свою власну компанію Zilog, Inc. У квітні наступного року в Zilog із Busicom перейшов Масатосі Сіма. І друзі розпочали проектування нового процесора, який мав стати найкращим у світі. У травні 1976 року ринку з'явився мікропроцесор Z80 компанії Zilog.

Процесор Z80 був дуже успішним проектом і серйозно потіснив на ринку процесори Intel 8008 і 8080. У середині 70-х - на початку 80-х років компанія Zilog була для Intel приблизно тим же, чим сьогодні компанія AMD - серйозним конкурентом, здатним випускати більш дешеві і ефективні моделі тієї самої архітектури. Як би там не було, а більшість оглядачів сходяться на тому, що Z80 був найнадійнішим і найуспішнішим мікропроцесором за всю історію мікропроцесорної техніки. Проте не варто забувати, що історія ця ще тільки починалася.

MCS-4 – прообраз майбутнього

Стаття про створення першого у світі мікропроцесора буде неповною, якщо не сказати хоча б кілька слів про технічні особливості набору MCS-4. На введенні цифри 4 у систему кодування Intel наполіг Федеріко Федджін. Маркетинговому відділу Intel ця ідея сподобалася - четвірка вказувала і розрядність процесора, і загальна кількість мікросхем. Набір складався з чотирьох наступних чіпів: 4001 - мікросхема ROM ємністю 2048 біт; 4002 – мікросхема RAM ємністю 320 біт; 4003 - мікросхема інтерфейсу, що є 10-бітний зсувний регістр; 4004 – чотирибітний ЦПУ з набором з 45 команд. Фактично, це був прообраз персонального комп'ютера найближчого майбутнього. Розглянемо трохи докладніше функціонування цих мікросхем, оскільки основні засади їхньої роботи можна знайти навіть у сучасних мікропроцесорах.

В оперативній пам'яті (RAM) сучасного комп'ютера одночасно зберігаються і програми, що виконуються, і дані, які вони обробляють. У зв'язку з цим процесор завжди повинен знати, що саме він зараз вибирає з пам'яті - команду або дані. Першому мікропроцесору 4004 було простіше - команди зберігалися лише у ROM (чіп 4001), а дані - у RAM (чіп 4002).

Оскільки інструкції для процесора 4004 були восьмибітні, мікросхема 4001 була організована у вигляді масиву з 256 восьмибітних слів (термін "байт" тоді ще не використовувався). Інакше кажучи, в одній такій мікросхемі могло вміститися максимум 256 інструкцій центрального процесора. Мікропроцесор 4004 міг працювати максимум із чотирма мікросхемами 4001, отже, максимальна кількість інструкцій, які можна було записати, не перевищувала 1024. Тим більше що "Ассемблер" 4004 був дуже простим - всього 45 команд, причому не було таких складних команд, як множення або розподіл. Вся математика базувалася на командах ADD (додати) та SUB (відібрати). Хто знайомий з алгоритмом двійкового розподілу, легко зрозуміє складність роботи програмістів із процесором 4004.

Адреса та дані передавалися по мультиплексованій чотирибітній шині. Оскільки мікросхема 4001 являла собою EPROM, її можна було перепрошувати, записуючи ті чи інші програми. Тим самим MCS-4 налаштовувалась на виконання конкретних завдань.
Роль оперативної пам'яті відводилася чіпу 4002. Обмін даними з 4002 також здійснювалося по чотирирозрядній шині. У системі на базі MCS-4 можна було використовувати максимум чотири мікросхеми 4002, тобто максимальний об'єм ВП у такій системі дорівнював 1 кбайт (4 x 320 біт). Пам'ять була організована у вигляді чотирьох регістрів, у кожному з яких могло розміщуватися двадцять чотирибітних символів (4 x 20 x 4). Оскільки при використанні чотирибітного коду можна закодувати максимум 16 символів (24), MCS-4 було б важко використовувати для роботи з текстовим процесором. Якщо говорити про калькулятор, кодувалися десять символів від 0 до 9, чотири знаки арифметичних дій, десяткова точка і один символ залишався резервним. Отримання даних із пам'яті здійснювалося процесором за інструкцією SRC.

Процесор посилав дві чотирибітові послідовності X2 (D3D2D1D0) та X3 (D3D2D1D0). У послідовності X2 біти D3D2 вказували номер банку пам'яті (номер чіпа 4002), а біти D1D0 - номер запитуваного регістру цьому банку (сучасні процесори, до речі, під час роботи з пам'яттю також вказують номер банку пам'яті). Вся послідовність X3 вказувала номер символу регістрі. Чіпи та регістри нумерувалися: 00 - 1; 01 – 2; 10 – 3; 11 - 4. Наприклад, інструкція SRC 01010000 повідомляла процесору, що у другому чіпі, другому регістрі слід вибрати перший символ.

Весь обмін даними із зовнішніми пристроями, такими як клавіатура, дисплеї, принтери, телетайпи, різного роду перемикачі, лічильники, - словом, з периферією, здійснювався через мікросхему інтерфейсу 4003. У ній були об'єднані паралельний вихідний порт, а також послідовний вхідний / вихідний порт. У принципі такий механізм обміну даними з периферією проіснував аж до появи портів USB і т.п.

Основа набору - мікросхема 4004 - була справжнісіньким мікропроцесором. Процесор містив чотирибітний суматор, регістр-акумулятор, 16 індексних регістрів (чотирьохбітних, природно), 12 лічильників програм і стека (чотирьохбітних) та восьмибітний командний регістр та декодер. Командний регістр поділявся на два чотирибітні регістри - OPR і OPA.

Робочий цикл відбувався так. Процесор виробляв сигнал синхронізації SYNC. Потім надсилалося 12 біт адреси для вибірки з ROM (4001), які проходили за три робочі цикли: A1, A2, A3. Відповідно до запиту назад у процесор посилалася восьмибітна команда за два цикли: M1 і M2. Інструкція розміщувалася в регістрах OPR та OPA, інтерпретувалася та виконувалася за наступні три цикли: X1, X2, X3. На малюнку показаний робочий цикл процесора Intel 4004. Частота процесора 4004 першого випуску була 0,75 МГц, тому все це відбувалося не дуже швидко за нинішніми поняттями. Весь цикл займав близько 10,8 секунд. Підсумовування двох восьмизнакових десяткових чисел займало 850 секунд. За секунду Intel 4004 виконував 60000 операцій.

Навіть з короткого технічного опису видно, що це був дуже слабкий процесор. Тому немає нічого дивного, що мало кого на початку сімдесятих років минулого століття схвилювало появу на ринку набору MCS-4. Продажі, як і раніше, залишалися не дуже високими. Натомість пропаганда Intel відгукнулася у серцях молодих ентузіастів на кшталт Білла Гейтса (Bill Gates) та його друга Пола Аллена (Paul Allen), які одразу зрозуміли, що поява мікропроцесорів відчиняє особисто для них двері у новий світ.

Схема кодування від Intel

(Писали в UPgrade та на NNM)
Схему цифрового кодування виробів Intel винайшли Енді Гроув (Andy Grove) та Гордон Мур. У своєму вихідному вигляді вона була дуже простою, для кодування використовувалися лише цифри 0, 1, 2 і 3. Після того як Федеріко Феджин створив мікропроцесор, він запропонував ввести цифру 4, щоб у коді відобразити чотирибітну структуру його регістрів. З появою восьмибітних процесорів було додано цифру 8. У цій системі будь-який виріб отримував код, що складається з чотирьох цифр. Перша цифра коду (крайня ліва) позначала категорію: 0 – контрольні чіпи; 1 – мікросхеми PMOS; 2 – мікросхеми NMOS; 3 – біполярні мікросхеми; 4 – чотирибітні процесори; 5 – мікросхеми CMOS; 7 – пам'ять на магнітних доменах; 8 - восьмибітні процесори та мікроконтролери. Цифри 6 та 9 не використовувалися.

Друга цифра коду позначала тип: 0 - процесори; 1 - мікросхеми статичної та динамічної RAM; 2 – контролери; 3 – мікросхеми ROM; 4 – зсувні регістри; 5 – мікросхеми EPLD; 6 – мікросхеми PROM; 7 – мікросхеми EPROM; 8 – схеми синхронізації для тактових генераторів; 9 – чіпи для телекомунікацій (з'явилася пізніше). Дві останні цифри позначали порядковий номер цього виду виробу. Таким чином, перша мікросхема, яку виготовила Intel, що мала код 3101, розшифровувалась як "біполярна мікросхема статичної або динамічної RAM першого випуску".

Читайте далі цю історію за посиланнями:
Історія архітектури процесора x86 Частина 2. Вісім біт
Історія архітектури процесора x86 Частина 3. Далекий пращур

Коли та ким була створена перша мікросхема? а то мені кажуть, що оптичні прилади не дозволяли лазером "нарізати" на монокристал

Ще наприкінці 40-х років у Centralab були розроблені основні принципи мініатюризації та створені лампові товстоплівкові гібридні схеми. Схеми виконувались на єдиній підкладці, а зони контактів чи опору виходили простим нанесенням на підкладку срібної чи друкарської вугільної фарби. Коли ж стала розвиватися технологія германієвих сплавних транзисторів, Centralab було запропоновано монтувати безкорпусні прилади в пластикову або керамічну оболонку, чим досягалася ізоляція транзистора від навколишнього середовища. На цій основі можна було вже створювати гібридні транзисторні схеми, "друковані плати". Але, по суті, це був прообраз сучасного вирішення проблеми корпусування та висновків інтегральної схеми.
До середини 50-х років Texas Instruments мала всі можливості для дешевих напівпровідникових матеріалів. Але якщо транзистори або діоди виготовлялися з кремнію, то резистори в TI воліли робити з титану нітриду, а розподілені ємності - з тефлону. Не дивно, що багато хто тоді вважав, що при накопиченому досвіді створення гібридних схем немає проблем у збиранні цих елементів, виготовлених окремо. А якщо вдасться виготовити всі елементи однакового розміру та форми і тим самим автоматизувати процес складання, вартість схеми буде значно знижена. Цей підхід дуже нагадує запропонований Генрі Фордом процес конвеєрного складання автомобілів.
Таким чином, в основі схемних рішень, що домінували тоді, лежали різні матеріали і технології їх виготовлення. Але англійцем Джеффом Даммером з Royal Radar Establishment в 1951 було висунуто припущення про створення електроніки у вигляді єдиного блоку за допомогою напівпровідникових шарів одного і того ж матеріалу, що працюють як підсилювач, резистор, ємність і з'єднаних вирізаними в кожному шарі контактними майданчиками. Як це зробити практично, Даммер не вказав.
Власне, окремі резистори та ємності можна було робити з того ж кремнію, проте це було б досить дороге виробництво. Крім того, кремнієві резистори і ємності були б менш надійними, ніж компоненти, виготовлені за стандартними технологіями та зі звичних матеріалів, тих же нітриду титану або тефлону. Але оскільки все ж таки була важлива можливість виготовити всі компоненти з одного матеріалу, то варто було б подумати про їхнє відповідне електричне з'єднання в одному зразку.
24 липня 1958 року Кілбі сформулював у лабораторному журналі концепцію, що отримала назву Ідеї моноліт (Monolithic Idea), у якій було зазначено, що<... p-n-="">Заслуга Кілбі - у практичній реалізації ідеї Даммера.

Інтегральна мікросхема (ІВ)- це мікроелектронний виріб, що виконує функції перетворення та обробки сигналів, що характеризується щільною упаковкою елементів так, щоб усі зв'язки та з'єднання між елементами представляли єдине ціле.

Складовою частиною ІС є елементи, які виконують роль електрорадіоелементів (транзисторів, резисторів та ін) і не можуть бути виділені як самостійні вироби. У цьому активними називають елементи ІМС, виконують функції посилення чи іншого перетворення сигналів (діоди, транзистори та інших.), а пасивними - елементи, реалізують лінійну передавальну функцію (резистори, конденсатори, індуктивності).

Класифікація інтегральних мікросхем:

За способом виготовлення:

За рівнем інтеграції.

Ступінь інтеграції ІС є показником складності, що характеризується числом елементів, що містяться в ній, і компонентів. Ступінь інтеграції визначається формулою

де k - коефіцієнт, що визначає ступінь інтеграції, що округляється до найближчого більшого цілого числа, а N - число елементів та компонентів, що входять до ІС.

Для кількісної характеристики ступеня інтеграції часто використовують такі терміни: якщо k? 1, ІС називають простий ІС, якщо 1< k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).

Крім ступеня інтеграції використовують ще такий показник, як густина упаковки елементів - кількість елементів (найчастіше транзисторів) на одиницю площі кристала. Цей показник характеризує переважно рівень технології, нині він становить понад 1000 елементів/мм 2 .

Плівкові інтегральні схеми- це інтегральні схеми, елементи яких нанесені поверхню діелектричного підстави як плівки. Їхня особливість - у чистому вигляді не існують. Служать лише виготовлення пасивних елементів - резисторів, конденсаторів, провідників, індуктивностей.

Мал. 1. Структура плівкової гібридної ІС: 1, 2 - нижній та верхній обкладки конденсатора, З - шар діелектрика, 4 - дротяна сполучна шина, 5 - навісний транзистор, 6 - плівковий резистор, 7 - контактний висновок, 8 - діелектрична підкладка

Гібридні ІВ – це тонкоплівкові мікросхеми, що складаються з пасивних елементів (резисторів, конденсаторів, контактних майданчиків) та дискретних активних елементів (діодів, транзисторів). Гібридна ІВ, показана на рис. 1, являє собою діелектричну підкладку з нанесеними на неї плівковими конденсаторами і резисторами і приєднаним навісним транзистором, база якого з'єднана з верхньою шиною обкладинкою конденсатора у вигляді дуже тонкого зволікання.

У напівпровідникових ІСвсі елементи та міжелементні з'єднання виконані в обсязі та на поверхні кристала напівпровідника. Напівпровідникові ІС є плоским кристалом напівпровідника (підкладка), в поверхневому шарі якого різними технологічними прийомами сформовані еквівалентні елементам електричної схеми локальні області (діоди, транзистори, конденсатори, резистори та ін.), об'єднані по поверхні плівковими металевими сполуками (

Як підкладки напівпровідникових ІС служать круглі пластини кремнію, германію або арсеніду галію, що мають діаметр 60 - 150 мм і товщину 0,2 - 0,4 мм.

Напівпровідникова підкладка є груповою заготовкою (рис. 2), на якій одночасно виготовляють велику кількість ІС.

Мал. 2. Групова кремнієва пластина: 1 – базовий зріз, 2 – окремі кристали (чіпи)

Після завершення основних технологічних операцій її розрізають частини - кристали 2, звані також чіпами. Розміри сторін кристалів можуть бути від 3 до 10 мм. Базовий зріз 1 пластини служить її орієнтації при різних технологічних процесах.

Структури елементів напівпровідникової ІВ - транзистора, діода, резистора та конденсатора, що виготовляються відповідним легуванням локальних ділянок напівпровідника методами планарної технології, показано на рис. 3, а-р. Планарна технологія характеризується тим, що всі висновки елементів ІС розташовуються в одній площині на поверхні та одночасно з'єднуються в електричну схему тонкоплівковими міжз'єднаннями. При планарній технології проводиться групова обробка, тобто протягом одного технологічного процесу на підкладках отримують велику кількість ІВ, що забезпечує високі технологічність та економічність, а також дозволяє автоматизувати виробництво.

Мал. 3. Структури елементів напівпровідникової ІС: а - транзистора, б - діода, - резистора, г - конденсатора, 1 - тонкоплівковий контакт, 2 - шар діелектрика, З - емітер; 4 - база; 5 - колектор; 6 - катод; 7 - анод; 8 - ізолюючий шар; 9 - резистивний шар, 10 - ізолюючий шар, 11 - пластина, 12, 14 - верхній та нижній електроди конденсатора, 13 - шар діелектрика

У поєднаних ІС(рис. 4), що є варіантом напівпровідникових, на кремнієвій підкладці створюють напівпровідникові та тонкоплівкові елементи. Перевага цих схем полягає в тому, що в твердому тілі технологічно важко виготовляти резистори заданого опору, так як воно залежить не тільки від товщини легованого шару напівпровідника, але і від розподілу питомого опору по товщині. Доведення опору до номінального значення після виготовлення резистора також становить значні труднощі. Напівпровідникові резистори мають помітну температурну залежність, що ускладнює розробку ІС.

Мал. 4. Структура сполученої ІС: 1 - плівка діоксиду кремнію, 2 - діод, З - плівкові внутрішньосхемні з'єднання, 4 - тонкоплівковий резистор, 5, 6, 7 - верхній і нижній електроди тонкоплівкового конденсатора та діелектрик, 8 - тонкоплівкові контакти, 9 - тран - Кремнієва пластина.

Крім того, у твердому тілі також важко створювати конденсатори. Для розширення номінальних значень опорів резисторів та ємностей конденсаторів напівпровідникових ІС, а також покращення їх робочих характеристик розроблена заснована на технології тонких плівок комбінована технологія, яка називається технологією суміщених схем. У цьому випадку активні елементи ІС (можна і деякі некритичні по номінальному опору резистори) виготовляють в тілі кремнієвого кристала дифузійним методом, а потім вакуумним нанесенням плівок (як плівкових ІС) формують пасивні елементи - резистори, конденсатори і міжз'єднання.

Елементна база електроніки розвивається безперервно зростаючими темпами. Кожне поколінь, з'явившись у певний час, продовжує вдосконалюватися у найбільш виправданих напрямах. Розвиток виробів електроніки від покоління до покоління йде у напрямку їх функціонального ускладнення, підвищення надійності та терміну служби, зменшення габаритних розмірів, маси, вартості та споживаної енергії, спрощення технології та покращення параметрів електронної апаратури.

Становлення мікроелектроніки як самостійної науки стало можливим завдяки використанню багатого досвіду та бази промисловості, що випускає дискретні напівпровідникові прилади. Проте з розвитком напівпровідникової електроніки з'ясувалися серйозні обмеження застосування електронних явищ і систем з їхньої основі. Тому мікроелектроніка продовжує просуватися швидкими темпами як у напрямку вдосконалення напівпровідникової інтегральної технології, так і в напрямку використання нових фізичних явищ. радіоелектронний інтегральний мікросхема

Вироби мікроелектроніки: інтегральні мікросхеми різного ступеня інтеграції, мікроскладання, мікропроцесори, міні- та мікро-ЕОМ - дозволили здійснити проектування та промислове виробництво функціонально складної радіо- та обчислювальної апаратури, що відрізняється від апаратури попередніх поколінь кращими параметрами, більш високими споживаної енергією та вартістю. Апаратура на основі виробів мікроелектроніки знаходить широке застосування у всіх сферах діяльності.

Створенню систем автоматичного проектування, промислових роботів, автоматизованих та автоматичних виробничих ліній, засобів зв'язку та багато іншого сприяє мікроелектроніка.

Перший етап

До першого етапу належить винахід у 1809 році російським інженером Ладигіним лампи розжарювання.

Відкриття 1874 року німецьким вченим Брауном випрямляючого ефекту в контакті метал-напівпровідник. Використання цього ефекту російським винахідником Поповим для визначення радіосигналу дозволило створити йому перший радіоприймач. Датою винаходу радіо прийнято вважати 7 травня 1895 коли Попов виступив з доповіддю і демонстрацією на засіданні фізичного відділення російського фізико-хімічного товариства в Петербурзі. У різних країнах велися розробки та дослідження різних типів простих та надійних виявників високочастотних коливань – детекторів.

Другий етап

Другий етап розвитку електроніки розпочався з 1904 р., коли англійський вчений Флемінг сконструював електровакуумний діод. За ним був винахід першої підсилювальної лампи - тріода в 1907 році.

1913 – 1919 роки – період різкого розвитку електронної техніки. У 1913 р. німецький інженер Мейснер розробив схему лампового регенеративного приймача і за допомогою тріода отримав незатухаючі гармонійні коливання.

У Росії перші радіолампи були виготовлені в 1914 в Санкт-Петербурзі консультантом російського товариства бездротового телеграфування Миколою Дмитровичем Папалексі, майбутнім академіком АН СРСР.

Третій етап

Третій період розвитку електроніки - це період створення та впровадження дискретних напівпровідникових приладів, що розпочався з винаходу точкового транзистора. В 1946 при лабораторії "Белл Телефон" була створена група на чолі з Вільямом Шоклі, що проводила дослідження властивостей напівпровідників на Кремнії та Німеччині. Група проводила як теоретичні, і експериментальні дослідження фізичних процесів межі розділу двох напівпровідників з різними типами електричної провідності. У результаті було винайдено: трехэлектродные напівпровідникові прилади - транзистори. Залежно кількості носіїв заряду транзистори були поділені на:

- уніполярні (польові), де використовувалися однополярні носії.
- біполярні, де використовувалися різнополярні носії (електрони та дірки).

Винахід транзисторів стало знаменною віхою в історії розвитку електроніки і тому його автори Джон Бардін, Уолтер Браттейн та Вільям Шоклі були удостоєні нобелівської премії з фізики за 1956 рік.

Поява мікроелектроніки

З появою біполярних польових транзисторів почали втілюватися ідеї розробки малогабаритних ЕОМ. На їх основі стали створювати бортові електронні системи для авіаційної та космічної техніки. Так як ці пристрої містили тисячі окремих електрорадіоелементів і постійно вимагалося все більше і більше їх збільшення, виникли і технічні проблеми. Зі збільшенням числа елементів електронних систем практично не вдавалося забезпечити їхню працездатність відразу ж після складання, та забезпечити, надалі, надійність функціонування систем. Проблема якості монтажно-складальних робіт стала основною проблемою виробників у забезпеченні працездатності та надійності радіоелектронних пристроїв. Вирішення проблеми міжз'єднань і стало причиною появи мікроелектроніки. Прообразом майбутніх мікросхем послужила друкована плата, де всі поодинокі провідники об'єднані в єдине ціле і виготовляються одночасно груповим методом шляхом стравлювання мідної фольги з площиною фольгованого діелектрика. Єдиним видом інтеграції у разі є провідники. Застосування друкованих плат хоч і не вирішує проблем мініатюризації, проте вирішує проблему підвищення надійності міжз'єднань. Технологія виготовлення друкованих плат не дозволяє виготовити одночасно інші пасивні елементи крім провідників. Саме тому друковані плати не перетворилися на інтегральні мікросхеми у сучасному розумінні. Першими були розроблені наприкінці 40-х років товстоплівкові гібридні схеми, в основу їх виготовлення була покладена вже відпрацьована технологія виготовлення керамічних конденсаторів, що використовує метод нанесення на керамічну підкладку через трафарети паст, що містять порошок срібла та скла.

Тонкоплівкова технологія виробництва інтегральних мікросхем включає нанесення у вакуумі на гладку поверхню діелектричних підкладок тонких плівок різних матеріалів (провідних, діелектричних, резистивних).

Четвертий етап

В 1960 Роберт Нойс з фірми Fairchild запропонував і запатентував ідею монолітної інтегральної схеми і, застосувавши планарну технологію виготовив перші кремнієві монолітні інтегральні схеми.

Сімейство монолітних транзисторно-транзисторних логічних елементів з чотирма і біполярнішими транзисторами на одному кристалі кремнію було випущено фірмою Fairchild вже в лютому 1960 року і отримало назву "мікрологіка". Планарна технологія Хорні і монолітна технологія Нойса заклали в 1960 фундамент розвитку інтегральних мікросхем, спочатку на біполярних транзисторах, а потім 1965-85 гг. на польових транзисторах та комбінаціях тих та інших.

Два директивні рішення прийняті в 1961-1962 рр. вплинули на розвиток виробництва кремнієвих транзисторів та ІС. Рішення фірми IBM (Нью-Йорк) з розробки для перспективної ЕОМ не феромагнітних пристроїв, а електронних ЗУ (запам'ятовувачів) на базі n-канальних польових транзисторів (метал-окис-напівпровідник - МОП). Результатом успішного виконання цього плану був випуск у 1973р. універсальної ЕОМ з МОП ЗУ - IBM-370/158. Директивні рішення фірми Fairchild, що передбачають розширення робіт у напівпровідниковій науково-дослідній лабораторії з дослідження кремнієвих приладів та матеріалів для них.

Тим часом у липні 1968 р. Гордон Мур і Роберт Нойс йдуть з відділення напівпровідників фірми Fairchild і 28 червня 1968 організують крихітну фірму Intel з дванадцяти осіб, які орендують кімнатку в Каліфорнійському місті Маунтін Вью. Завдання, яке поставили перед собою Мур, Нойс і фахівець з хімічної технології - Ендрю Гроув, що приєднався до них, використовувати величезний потенціал інтеграції великої кількості електронних компонентів на одному напівпровідниковому кристалі для створення нових видів електронних приладів.

У 1997 році Ендрю Гроув став "людиною року", а очолювана ним компанія Intel, що стала однією з провідних у силіконовій долині в Каліфорнії, стала виробляти мікропроцесори для 90% всіх персональних комп'ютерів планети. Поява інтегральних мікросхем зіграла вирішальну роль у розвиток електроніки започаткувавши новий етап мікроелектроніки. Мікроелектроніку четвертого періоду називають схематичною, тому що у складі основних базових елементів можна виділити елементи еквівалентні дискретним електро-радіоелементам і кожній інтегральній мікросхемі відповідає певна принципова електрична схема, як і для електронних вузлів апаратури попередніх поколінь.

Інтегральні мікросхеми стали називатися мікроелектронні пристрої, що розглядаються як єдиний виріб, що має високу щільність розташування елементів, еквівалентних елементам звичайної схеми. Ускладнення, що виконуються мікросхемами функцій, досягається підвищенням ступеня інтеграції.

Справжнє електроніки

В даний час мікроелектроніка переходить на якісно новий рівень – наноелектроніку.

Наноелектроніка насамперед базується на результатах фундаментальних досліджень атомних процесів у напівпровідникових структурах зниженої розмірності. Квантові точки, або нульмерні системи, є граничним випадком систем зі зниженою розмірністю, які складаються з масиву атомних кластерів або острівців нанометрових розмірів у напівпровідниковій матриці, що виявляють самоорганізацію в епітаксійних гетероструктурах.

Одним із можливих робіт пов'язаних з наноелеткронікою є роботи зі створення матеріалів та елементів ІЧ-техніки. Вони затребувані підприємствами галузі та є основою для створення у найближчому майбутньому систем "штучного" (технічного) зору з розширеним, порівняно з біологічним зором, спектральним діапазоном в ультрафіолетовій та інфрачервоній областях спектру. Системи технічного зору та фотонні компоненти на наноструктурах, здатні отримувати та обробляти величезні масиви інформації, стануть основою принципово нових телекомунікаційних пристроїв, систем екологічного та космічного моніторингу, теплобачення, нанодіагностики, робототехніки, високоточної зброї, засобів боротьби з тероризмом тощо. Застосування напівпровідникових наноструктур значно зменшить габарити пристроїв спостереження та реєстрації, зменшить енергоспоживання, покращить вартісні характеристики та дозволить використати переваги масового виробництва у мікро- та наноелектроніці найближчого майбутнього.

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

Мікросхеми випускаються у двох конструктивних варіантах – корпусному та безкорпусному.

Корпус мікросхеми - це несуча система і частина конструкції, призначена для захисту від зовнішніх впливів і для електричного з'єднання з зовнішніми ланцюгами за допомогою висновків. Корпуси стандартизовані для спрощення технології виготовлення готових виробів.

Безкорпусна мікросхема - це напівпровідниковий кристал, призначений для монтажу в гібридну мікросхему або мікроскладання (можливий безпосередній монтаж надруковану плату).

Специфічні назви

Фірма Intel першою виготовила мікросхему, яка виконувала функції мікропроцесора (англ. microproccessor) – Intel 4004. На базі удосконалених мікропроцесорів 8088 та 8086 фірма IBM випустила свої відомі персональні комп'ютери)

Мікропроцесор формує ядро обчислювальної машини, додаткові функції типу зв'язку з периферією виконувались за допомогою спеціально розроблених наборів мікросхем (чіпсет). Для перших ЕОМ число мікросхем у наборах обчислювалося десятками та сотнями, у сучасних системах це набір із однієї-двох-трьох мікросхем. Останнім часом спостерігаються тенденції поступового перенесення функцій чіпсету (контролер пам'яті, контролер шини PSI Express) у процесор.

Мікропроцесори з вбудованими ОЗУ та ПЗУ, контролерами пам'яті та введення-виводу, а також іншими додатковими функціями називають мікроконтролерами.

Правовий захист

Законодавство Росії надає правову охорону топологій інтегральних мікросхем. Топологією інтегральної мікросхеми є зафіксоване на матеріальному носії просторово-геометричне розташування сукупності елементів інтегральної мікросхеми та зв'язків між ними (ст. 1448 ЦК України).

Виняткове декларація про топологію діє протягом десяти років. Правовласник протягом цього терміну може за своїм бажанням зареєструвати топологію у Федеральній службі з інтелектуальної власності, патентів та товарних знаків.

Історія створення

7 травня 1952 року британський радіотехнік Джеффрі Даммер вперше висунув ідею інтеграції безлічі стандартних електронних компонентів у монолітному кристалі напівпровідника, а через рік Харвік Джонсон подав першу в історії патентну заявку на прототип інтегральної схеми (ІС). Реалізація цих пропозицій у роки не могла відбутися через недостатнього розвитку технологій.

Наприкінці 1958 року і першій половині 1959 року у напівпровідникової промисловості відбувся прорив. Три особи, які представляли три приватні американські корпорації, вирішили три фундаментальні проблеми, що перешкоджали створенню інтегральних схем. Джек Кілбі з Texas Instruments запатентував принцип інтеграції, створив перші, недосконалі, прототипи ІС та довів їх до серійного випуску. Курт Леговець із Sprague Electric Company винайшов спосіб електричної ізоляції компонентів, сформованих на одному кристалі напівпровідника (ізоляцію p-n-переходом). Роберт Нойс з Fairchild Semiconductor винайшов метод електричного з'єднання компонентів ІС (металізацію алюмінієм) і запропонував удосконалений варіант ізоляції компонентів на основі нової планарної технології Жана Ерні. 27 вересня 1960 року група Джея Ласта створила на Fairchild Semiconductor першу працездатну. напівпровідниковуІС за ідеями Нойса та Ерні. Texas Instruments, яка володіла патентом на винахід Кілбі, розв'язала проти конкурентів патентну війну, що завершилася в 1966 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 ІС конкретного сімейства, оперували одними і тими ж типовими діодами та транзисторами. У 1961-1962 парадигму проектування зламав провідний розробник Sylvania Том Лонго, вперше використавши в одній ІС різніЗміни транзисторів в залежності від їх функцій у схемі. Наприкінці 1962 року Sylvania випустила у продаж перше сімейство розробленої Лонго транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) - історично перший тип інтегральної логіки, що зумів надовго закріпитися на ринку. У аналоговій схемотехніці прорив подібного рівня здійснив у 1964-1965 роках розробник операційних підсилювачів Fairchild Боб Відлар.

Перша в СРСР напівпровідникова інтегральна мікросхема була створена на основі планарної технології, розробленої на початку 1960 в НДІ-35 (потім перейменований в НДІ «Пульсар») колективом, який надалі був переведений в НДІМЕ («Мікрон»). Створення першої вітчизняної кремнієвої інтегральної схеми було сконцентровано на розробці та виробництві з військовою приймальною серією інтегральних кремнієвих схем ТС-100 (37 елементів - еквівалент схемотехнічної складності тригера, аналога американських ІС серії SN-51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи і виробничі зразки інтегральних кремнієвих схем для відтворення були отримані з 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)

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

Наприкінці 1958 року і першій половині 1959 року у напівпровідникової промисловості відбувся прорив. Три особи, які представляли три приватні американські корпорації, вирішили три фундаментальні проблеми, що 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 однією кристалі напівпровідника (ізоляцію p-n-переходом (англ. P–n junction isolation)). Роберт Нойс із Fairchild Semiconductorвинайшов метод електричного з'єднання компонентів ІС (металізацію алюмінієм) і запропонував удосконалений варіант ізоляції компонентів на основі 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 в 1966 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 ІС конкретного сімейства, оперували одними і тими ж типовими діодами та транзисторами. У 1961-1962 рр. парадигму проектування зламав провідний розробник SylvaniaТом Лонго, вперше використавши в одній ІС різні Зміни транзисторів в залежності від їх 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. Н. Колесов був призначений Головою координаційної ради з цієї проблеми.

Перша в СРСР гібридна товстоплівна інтегральна мікросхема (серія 201 «Сцежка») була розроблена в 1963-65 роках у 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 прийманням серії інтегральних кремнієвих схем ТС-100 (37 елементів - еквівалент схемотехнічної складності тригера, аналога американських ІС серії SN-51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи і виробничі зразки інтегральних кремнієвих схем для відтворення були отримані з США. Роботи проводилися в НДІ-35 (директор Трутко) та Фрязінським напівпровідниковим заводом (директор Колмогоров) з оборонного 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) велика частина інтегральних схем проектується за допомогою спеціалізованих САПР, які дозволяють автоматизувати і 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 (СВІС) - понад 10 тис. елементів у кристалі.

Раніше використовувалися також тепер уже 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 з'єднання 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;
- тонкоплівкова інтегральна схема.
Гібридна мікросхема (часто звана мікроскладанням), 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 загальну характеристику властивостей і можливостей мікросхеми. У сучасних технологіях поєднують технології біполярних і 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 елемент мікросхеми 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 за різними методологіями, наприклад, статичною або динамічною.

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-технології, є найшвидшими, а й найбільш енергоспоживаючими, і застосовувалися під час виробництва обчислювальної техніки у випадках, 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 (звичайно 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) 1 , 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, як 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. Їх застосування дозволило збільшити надійність пристроїв, спростити налагодження обладнання, навіть виключити необхідність технічного обслуговування в 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 (зокрема на пьезоэффекте).
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 АМ сигналу (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 підсилювач відеосигналу, система ключового автоматичного регулювання підсилення).
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 керування (К174АФ1 - амплітудний селектор синхросигналу, генератор імпульсів рядкової частоти, вузол автоматичного підстроювання частоти і фази сигналу, формувач задають імпульсів рядкової розгортки, К174УП1 - підсилювач рівня »).

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 низькочастотного шуму фліккерного ; 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.

В даний час аналогові мікросхеми виробляються багатьма фірмами: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments та ін.

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), в першому випадку на транзистор немає падіння напруги , у другому - через нього не йде струм . В обох випадках енергоспоживання близько 0, на відміну від аналогових пристроїв, в яких більшу частину часу транзистори знаходяться в 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 є малоймовірним. Крім того, у цифрових пристроях можливе 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) та 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.