XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Интегральная схема или монолитная интегральная схема (также называемая ИС, микросхемой или микрочипом) представляет собой набор электронных схем на одной небольшой плоской детали (или "чипе") из полупроводникового материала, обычно кремния. Большое количество крошечных МОП–транзисторов (металл–оксид-полупроводниковые полевые транзисторы) интегрируются в небольшой чип. В результате получаются схемы, которые на порядок меньше, быстрее и дешевле, чем схемы, построенные из дискретных электронных компонентов [1].

На сегодняшний день большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС, чипом) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

Классификация интегральных схем

По степени интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции, разная для цифровых и аналоговых микросхем (указано количество элементов для цифровых схем):

малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,

сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле,

ультра большая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле,

гига большая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом [2].

По технологии изготовления

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

Толстоплёночная интегральная схема.

Тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема (также микросборка) — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные(толстоплёночные)пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла [2].

Рис 1.Микросхема [2]

По виду обрабатываемого сигнала

Аналоговые.

Цифровые.

Аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон от 2,4 до 5 В — логической единице; для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон от −0,8 до −1,03 В — логической единице, а от −1,6 до −1,75 В — логическому нулю.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов, например, усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь [1].

Поколения

На заре простых интегральных схем масштаб технологии ограничивал каждый чип всего несколькими транзисторами, а низкая степень интеграции означала, что процесс проектирования был относительно простым. Производственные мощности также были довольно низкими по сегодняшним стандартам. По мере развития технологии металл–оксид–полупроводник (MOS) миллионы, а затем миллиарды МОП-транзисторов могли быть размещены на одном чипе, и хорошие проекты требовали тщательного планирования, что привело к появлению области автоматизации электронного проектирования, или EDA. Некоторые микросхемы SSI и MSI, такие как дискретные транзисторы, все еще производятся серийно, как для обслуживания старого оборудования, так и для создания новых устройств, для которых требуется всего несколько вентилей. Например, микросхемы TTL серии 7400 стали стандартом де-факто и продолжают производиться [3].

Интеграция среднего масштаба (MSI)

Следующим шагом в развитии интегральных схем стали устройства, которые содержали сотни транзисторов на каждом чипе, называемые "интеграцией среднего масштаба" (MSI).

Технология масштабирования MOSFET позволила создавать чипы высокой плотности. К 1964 году МОП-чипы достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярные чипы.

В 1964 году Фрэнк Ванласс продемонстрировал разработанный им однокристальный 16-разрядный сдвиговый регистр с невероятными в то время 120 МОП-транзисторами на одном кристалле. В том же году General Microelectronics представила первую коммерческую микросхему интегральной микросхемы MOS, состоящую из 120 p-канальных МОП-транзисторов. Это был 20-разрядный регистр сдвига, разработанный Робертом Норманом и Фрэнком Ванлассом. Сложность МОП-микросхем продолжала возрастать со скоростью, предсказанной законом Мура, что привело к появлению микросхем с сотнями МОП-транзисторов на чипе к концу 1960-х годов [3].

Крупномасштабная интеграция (LSI)

Дальнейшее развитие, обусловленное той же технологией масштабирования MOSFET и экономическими факторами, привело к "крупномасштабной интеграции" (LSI) к середине 1970-х годов с десятками тысяч транзисторов на чип.

Маски, используемые для обработки и производства SSI, MSI и ранних устройств LSI и VLSI (таких как микропроцессоры начала 1970-х годов), в основном создавались вручную, часто с использованием Rubylith-ленты или аналогичных. Для больших или сложных микросхем (таких как память или процессоры) это часто делалось специально нанятыми специалистами, отвечающими за компоновку схемы, под руководством команды инженеров, которые также, наряду с разработчиками схем, проверяли и проверяли правильность и полноту каждой маски.

Интегральные схемы, такие как 1K-разрядные ОЗУ, микросхемы калькуляторов и первые микропроцессоры, которые начали производиться в умеренных количествах в начале 1970-х годов, имели менее 4000 транзисторов. Настоящие схемы LSI, приближающиеся к 10 000 транзисторов, начали производиться примерно в 1974 году для основной памяти компьютеров и микропроцессоров второго поколения [4].

Маломасштабная интеграция (SSI)

Первые интегральные схемы содержали всего несколько транзисторов. Ранние цифровые схемы, содержащие десятки транзисторов, имели несколько логических элементов, а ранние линейные микросхемы, такие как Plessey SL201 или Philips TAA320, имели всего два транзистора. С тех пор количество транзисторов в интегральной схеме резко возросло. Термин "крупномасштабная интеграция" (LSI) был впервые использован ученым IBM Рольфом Ландауэром при описании теоретической концепции; этот термин привел к появлению терминов "мелкомасштабная интеграция" (SSI), "среднемасштабная интеграция" (MSI), "очень крупномасштабная интеграция" (VLSI) и "сверхбольшомасштабная интеграция" (ULSI). Ранними интегральными схемами были SSI [3].

Сверхбольшой масштабная интеграция (СБИС)

"Очень крупномасштабная интеграция" (VLSI) - это разработка, начатая с сотен тысяч транзисторов в начале 1980-х годов, и, по состоянию на 2016 год,  количество транзисторов продолжает расти, превышая десять миллиардов транзисторов на микросхему.

Для достижения такой повышенной плотности потребовалось несколько разработок. Производители перешли на меньшие правила проектирования 
МОП-транзисторов и более чистые производственные мощности. Путь совершенствования процесса был обобщен в Международной технологической дорожной карте для полупроводников (ITRS), за которой с тех пор последовала Международная дорожная карта для устройств и систем (IRDS). Улучшены инструменты электронного проектирования, что позволяет выполнять проектирование в разумные сроки. Более энергоэффективные CMOS заменили NMOS и PMOS, избегая чрезмерного увеличения энергопотребления. Сложность и плотность современных устройств СБИС сделали невозможным проверку масок или создание оригинального дизайна вручную. Вместо этого инженеры используют инструменты EDA для выполнения большинства функциональных работ по проверке.

В 1986 году были представлены микросхемы оперативной памяти (ОЗУ) объемом в один мегабит, содержащие более миллиона транзисторов. В 1989 году количество микропроцессорных микросхем превысило отметку в миллион транзисторов, а в 2005 году - отметку в миллиард транзисторов. Тенденция в значительной степени не ослабевает, и в 2007 году были представлены чипы, содержащие десятки миллиардов транзисторов памяти [5].

ULSI, WSI, SoC и 3D-микросхемы

Чтобы отразить дальнейший рост сложности, термин ULSI, обозначающий "сверхбольшомасштабную интеграцию", был предложен для микросхем, содержащих более
1 миллиона транзисторов.

Интеграция в масштабе пластины (WSI) - это способ построения очень больших интегральных схем, в которых для создания одного "суперчипа" используется целая кремниевая пластина. Благодаря сочетанию большого размера и уменьшенной упаковки, WSI может привести к значительному снижению затрат на некоторые системы, в частности, на суперкомпьютеры с массовым параллелизмом. Название взято из термина "Очень крупномасштабная интеграция", текущего уровня техники на момент разработки WSI.

Система на кристалле (SoC или SOC) - это интегральная схема, в которой все компоненты, необходимые для компьютера или другой системы, включены в один чип. Конструкция такого устройства может быть сложной и дорогостоящей, и, хотя объединение всех необходимых компонентов на одном кристалле может повысить производительность, затраты на лицензирование и разработку машины с одним кристаллом по-прежнему перевешивают наличие отдельных устройств. При соответствующем лицензировании эти недостатки компенсируются более низкими производственными и сборочными затратами и значительно сокращенным бюджетом энергопотребления: поскольку сигналы между компонентами сохраняются на кристалле, требуется гораздо меньше энергии (см. Упаковку).Кроме того, источники и пункты назначения сигналов физически расположены ближе друг к другу на кристалле, что сокращает длину проводки и, следовательно, время ожидания, затраты на передачу электроэнергии и потери тепла при обмене данными между модулями на одном чипе. Это привело к исследованию так называемых устройств "сеть на кристалле" (NoC), в которых применяются методологии проектирования "система на кристалле" для цифровых сетей связи в отличие от традиционных архитектур шин [6].

Назначение

Аналоговые схемы [2]

Компараторы.

Генераторы сигналов.

Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).

Аналоговые умножители.

Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители.

Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.

Микросхемы управления импульсных блоков питания.

Преобразователи сигналов.

Схемы синхронизации.

Операционные усилители.

Различные датчики (например, температуры).

Цифровые [2]

Логические элементы

Триггеры

Счётчики

Регистры

Буферные преобразователи

Шифраторы

Дешифраторы

Цифровой компаратор

Мультиплексоры

Демультиплексоры

Сумматоры

Полусумматоры

Ключи

АЛУ

Микроконтроллеры

(Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

Однокристальные микрокомпьютеры

Микросхемы и модули памяти

ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Аналогово-цифровые схемы [2]

Цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).

Модуляторы и демодуляторы.

Радиомодемы

Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

Dial-Up модемы

Приёмники цифрового ТВ

Сенсор оптической мыши

Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

Цифровые аттенюаторы.

Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.

Коммутаторы.

Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Рис 2. Модулятор [3]

Список литературы

Поколения интегральных схем

[ https://ru.wikipedia.org/wiki/Интегральная_схема#Классификация]

Классификация интегральных схем и их назначение

[https://studfile.net/preview/9047037/]

История создание интегралных схем

[https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.aba972b8-6395c4c0-f8cf62d1-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/IC_chip#Types]

LSI

[https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.aba972b8-6395c4c0-f8cf62d1-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/IC_chip#Large-scale_integration_(LSI)]

СБИС

[https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.aba972b8-6395c4c0-f8cf62d1-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/IC_chip#Very-large-scale_integration_(VLSI)]

ULSI, WSI, SoC и 3D-микросхемы

[https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.aba972b8-6395c4c0-f8cf62d1-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/IC_chip#ULSI,_WSI,_SoC_and_3D-IC]

Код для цитирования: Скопировать