АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Интегральная схема

Интегральная схема — компактный узел электронных схем, сформированных на тонкой пластинке (кристалле) полупроводникового материала, чаще всего кремний. В состав интегральной схемы входят различные электронные компоненты (транзисторы, резисторы, конденсаторы и их соединения), изготовленные методом фотолитографии непосредственно на кристалле[1]. Интегральные схемы являются основой большинства современных электронных устройств — компьютеров, смартфонов, телевизоров, бытовых и промышленных приборов, осуществляя функции обработки, управления и хранения данных. Их появление кардинально изменило электронную отрасль, позволив миниатюризировать устройства, повысить производительность и снизить себестоимость[1].

Описание

Интегральные схемы обеспечивают существенно меньшие размеры, высокую скорость работы, энергоэффективность и стоимость по сравнению с устройствами на дискретных элементах благодаря массовому производству и высокой плотности размещения транзисторов. Быстрое развитие технологии, открывшее возможности автоматизированного проектирования, стандартизации и модульного подхода, привело к быстрой замене конструкций на отдельных транзисторах интегральными схемами.

Современные продукты, такие как процессоры, микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры и встроенные микросхемы бытовой техники, лежат в основе современной информатизации благодаря малому размеру, низкой цене и универсальности. Внедрение интегральных схем в массовое производство стало возможным благодаря достижениям в технологии производства полупроводниковых приборов. С 1960-х годов размеры, скорость и ёмкость кристаллов существенно выросли благодаря увеличению числа транзисторов на единицу площади (см. Закон Мура).

Главные преимущества интегральных схем — компактность, низкая стоимость и высокая производительность за счёт изготовления всех элементов сразу по фотолитографическим технологиям. Основным недостатком является высокая стоимость проектирования и создания производственных линий, из-за чего массовое производство становится экономически оправданным только при больших объёмах выпуска[1].

Терминология

Интегральная схема (ИК) формально определяется следующим образом:[2]

Схема, в которой все или некоторые элементы неразрывно связаны и электрически соединены так, что конструктивно и с точки зрения коммерческого использования она считается неделимой.

В строгом смысле термин «интегральная схема» обозначает конструкцию на едином кристалле — монолитная интегральная схема — когда вся схема выполнена на одном куске кремния[3][4]. В более широком понимании к интегральным схемам относят также устройства на основе 3D-ИК, многокристальные модули, тонкоплёночные транзисторы, гибридные интегральные схемы и другие, отличающиеся от монолитных ИК технологий. Этот терминологический нюанс актуален, в частности, при обсуждении применимости закона Мура.

История

Первые интегральные схемы

Предшественником интегральной схемы была технология микромодулей — миниатюрных керамических подложек с одним элементом, которые затем собирались в компактную трёхмерную сетку. Концепция была предложена в 1957 году Джеком Килби армии США[5][5] и реализована в краткосрочной программе Micromodule Program. Однако Килби быстро предложил и реализовал более радикальное решение: интегральную схему.

В компании Texas Instruments Килби записал свои идеи о создании интегральной схемы в июле 1958 года и 12 сентября того же года продемонстрировал первый рабочий образец[6]. В своей патентной заявке от 6 февраля 1959 года Килби описал новое устройство как «монолит полупроводникового материала, в котором полностью интегрированы все компоненты электронной схемы»[7][8]. Первым заказчиком стала ВВС США[9]. За создание интегральной схемы Килби в 2000 году был удостоен Нобелевской премии по физике[10].

Однако замкнутая на золотых проволочках конструкция Килби оказалась непригодна для массового производства[11]. Через полгода Роберт Нойс в Fairchild Semiconductor разработал первый практически пригодный монолитный кристалл ИС[12][11]. Возможным это стало благодаря изобретению планарного процесса (Жан Эрни) и технологии изоляции p-n-переходами (Курт Леховец). Именно структура Нойса на кремнии с алюминиевыми соединениями, полученными по планарной технологии, легла в основу современных ИС[12][11].

В период 1961–1965 годов крупнейшим потребителем интегральных схем была лунная программа NASA Apollo[13].

TTL-интегральные схемы

В 1960-х годах были разработаны интегральные схемы на базе ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), изобретённой Дж. Бюи (TRW Inc.). Эта технология стала доминирующей в 1970–1980‑х годах[14]. Процессоры мини- и больших ЭВМ, такие как IBM 360, PDP-11 и Datapoint 2200, строились из ТТЛ (или ещё более быстрых ECL) микросхем.

MOS-интегральные схемы

Современные интегральные схемы базируются на транзисторах с металлическим затвором (MOSFET), что позволило реализовать МОП-микросхемы[15]. МОП-транзисторы позволили создавать микросхемы высокой плотности, что привело к (очень) большим интегральным схемам (VLSI) и в конечном счёте к появлению микропроцессоров, микроконтроллеров, цифровых сигнальных процессоров и памяти. Их появление стало возможным благодаря миниатюризации структуры, автоматизации и росту числа транзисторов на кристалле (см. закон Мура).

Дополнительные подробности истории и технологических аспектов см. в отдельных статьях Планарный процесс, МОП-транзистор, Масштабирование МОП-технологии, Закон Деннарда.

Проектирование

Проектирование и разработка интегральных схем требует значительных затрат и осуществляется с помощью специализированных программных средств автоматического проектирования электроники (Электронное автоматизированное проектирование, EDA)[16][17]. Стоимость разработки одной сложной схемы достигает десятков миллионов долларов. Использование САПР позволяет автоматизировать все этапы — от моделирования и трассировки до тестирования и оптимизации, зачастую с применением искусственного интеллекта.

Типы интегральных схем

Интегральные схемы делят на аналоговые[18], цифровые[19] и смешанные (аналогово-цифровые)[20].

Цифровые микросхемы содержат миллиарды логических вентилей, триггеров, мультиплексоров и прочих устройств на площади нескольких квадратных миллиметров. Примеры — микропроцессоры, микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры, применяемые для специальных задач. Используют булеву алгебру для двоичной обработки данных.

В 1980-х годах появились программируемые логические устройства (PLD, ПЛИС), позволяющие пользователю настраивать логику и соединения на кристалле. Современные большие ПЛИС (FPGA) могут реализовывать миллионы вентилей и работать на частотах до 1 ГГц[21].

Аналоговые ИС предназначены для обработки непрерывных сигналов и функций (усиление, фильтрация, демодуляция, смешивание). Это различные усилители, интегральные датчики, схемы управления питанием и др.

Смешанные (аналогово-цифровые) микросхемы объединяют оба типа — например, АЦП или ЦАП.

Многие современные радиоустройства можно производить по КМОП-процессам (RF CMOS). Примеры — чипы DECT, Wi-Fi (802.11) и др[22].

Современные поставщики электроники подразделяют ИС дополнительно:

  • Цифровые — логические (микропроцессоры, микроконтроллеры), память, интерфейсные, управления питанием, программируемые.
  • Аналоговые — линейные и радиочастотные.
  • Смешанные — аналогово-цифровые преобразователи, таймеры, тактовые, схемы с переключаемыми конденсаторами и радиочастотные микросхемы.
  • Трёхмерные — схемы с вертикальными связями через подложку (TSV) или соединения Cu–Cu.

Производство

Технология изготовления

Современные интегральные схемы изготавливаются на пластинах монокристаллического кремния (или специализированных материалов, напр. арсенид галлия для радиочастотных устройств или лазеров). Основной технологический процесс включает фотолитографию, осаждение, травление, легирование и другие этапы[23].

Схема составляется из множества перекрывающихся слоев — диффузионных, активных, металлосоединений и контактов, определяемых последовательными фотолитографиями. Компоненты (транзисторы, конденсаторы, резисторы) получаются определённым сочетанием слоёв. Для CМОП-процессов ключевым является транзистор, формируемый методикой «самосовмещенного затвора».

После изготовления пластины подвергаются тестированию, затем разрезаются на отдельные кристаллы — «чипы». Рабочие кристаллы упаковывают в корпуса с соединением через золотые или алюминиевые выводы.

Стоимость современного завода по выпуску микросхем в 2020‑е годы превышает $12 млрд и постоянно растёт из-за усложнения технологий (закон Рока)[24].

Корпусирование

Первые интегральные схемы упаковывали в керамические плоские корпуса, затем появились более дешёвые DIP из керамики и пластика. С 1980-х годов используются корпуса с более высокой плотностью — PGA, LCC, SOIC, BGA, TSOP и др.

Крупные BGA-корпуса (flip-chip) позволяют разместить максимальное число выводов по всей площади кристалла. В современных процессорах Intel постепенно отказывается от PGA (последний в 2014 для мобильной платформы), AMD продолжает использовать PGA (настольные процессоры), BGA и LGA (мобильные, серверные)[25][26][27].

Маркировка корпусов обычно содержит логотип и наименование производителя, тип изделия, номер партии, месяц и год производства (например, 8341 — 41‑я неделя 1983 года).

Правовая охрана и интеллектуальная собственность

Необходимость защиты от копирования топологии микросхем привела к появлению специальных норм, например Закона США о защите полупроводниковых чипов 1984 года (Semiconductor Chip Protection Act of 1984)[28]. В ряде стран (Япония, страны ЕС, Великобритания, Австралия, Корея) введён sui generis-режим правовой охраны топологий ИС.

Поколения и степени интеграции

Аббревиатура Название Год Транзисторы Логических вентилей
SSI Малой степени интеграции 1964 1–10 1–12
MSI Средней степени интеграции 1968 10–500 13–99
LSI Большой степени интеграции 1971 500–20 000 100–9 999
VLSI Очень большая степень интеграции 1980 20 000–1 000 000 10 000–99 999
ULSI Ультрабольшая степень интеграции 1984 1 000 000 и более 100 000 и более

Первые интегральные схемы содержали лишь несколько транзисторов. Термины SSI, MSI, LSI, VLSI стали отражать степень интеграции, рост числа транзисторов и возможностей микросхем.

С конца 1960-х годов число транзисторов на кристалле увеличивалось экспоненциально (закон Мура) — от сотен до десятков миллионов, а с 2000-x — до миллиардов, что позволило внедрять полноценные вычислительные системы на одном чипе (SoC) и даже экспериментировать с совместным использованием всей пластины.

Галерея семейств и ключевых микросхем

Примечания

Литература

  • Veendrick, H.J.M. Nanometer CMOS ICs, from Basics to ASICs : [англ.]. — Springer, 2025. — ISBN 978-3-031-64248-7.
  • Baker, R.J. CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation : [англ.]. — 3rd. — Wiley-IEEE, 2010. — ISBN 978-0-470-88132-3.
  • Marsh, Stephen P. Practical MMIC design : [англ.]. — Artech House, 2006. — ISBN 978-1-59693-036-0.
  • Camenzind, Hans. Designing Analog Chips : [англ.]. — Virtual Bookworm, 2005. — ISBN 978-1-58939-718-7.
  • Hodges, David. Analysis and Design of Digital Integrated Circuits : [англ.] / David Hodges, Horace Jackson, Resve Saleh. — McGraw-Hill, 2003. — ISBN 978-0-07-228365-5.
  • Rabaey, J.M. Digital Integrated Circuits : [англ.] / J.M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic. — 2nd. — Pearson, 2003. — ISBN 978-0-13-090996-1.
  • Mead, Carver. Introduction to VLSI systems : [англ.] / Carver Mead, Lynn Conway. — Addison Wesley Publishing Company, 1991. — ISBN 978-0-201-04358-7.