Integrālā shēma (mikroshēma): definīcija, darbība un pielietojums
Integrālā shēma (biežāk saukta par integrālo shēmu, mikroshēmu, silīcija mikroshēmu, datora mikroshēmu vai mikroshēmu) ir speciāli sagatavots silīcija (vai cita pusvadītāja) gabals, kurā, izmantojot fotolitogrāfiju, ir iegravēta elektroniskā shēma. Silīcija mikroshēmās var būt loģiskie vārti, datoru procesori, atmiņa un īpašas ierīces. Mikroshēma ir ļoti trausla, tāpēc parasti to ieskauj plastmasas iepakojumā, lai to aizsargātu. Elektriskais kontakts ar mikroshēmu tiek nodrošināts, izmantojot sīkus vadus, kas savieno mikroshēmu ar lielākiem metāla tapām, kuras izceļas no iepakojuma.
IC ir divas galvenās priekšrocības salīdzinājumā ar diskrētām shēmām: izmaksas un veiktspēja. Izmaksas ir zemas, jo vienā mikroshēmā var ievietot miljoniem tranzistoru, nevis veidot shēmu ar atsevišķiem tranzistoriem. Veiktspēja ir augstāka, jo komponenti var darboties ātrāk un patērē mazāk enerģijas.
Integrālās shēmas ir paredzētas dažādiem mērķiem. Mikroshēmu var izstrādāt tikai kalkulatoram, kas var darboties tikai kā kalkulators. Integrālās shēmas var iedalīt analogajās, digitālajās un jaukto signālu shēmās (gan analogās, gan digitālās vienā mikroshēmā).
Kā tiek ražotas mikroshēmas
Procesa pamatā ir vairāki soļi: silīcija wafers (plāksnītes) ražošana, fotolitogrāfija, dopēšana, oksidēšana, metalizācija un beidzot iepakošana un testēšana. Fotolitogrāfijā uz wafera tiek projektētas ļoti smalkas struktūras, kas veido tranzistorus, vadus un citus elementus. Ražošanā tiek izmantoti tīrās telpas apstākļi un precīzas iekārtas, jo pat mikroskopiskas netīrumu daļiņas var bojāt shēmu.
Klasifikācija un piemēri
- Digitālās mikroshēmas — mikroprocesori (CPU), mikrokontrolleri, GPU, loģiskie ķēdes, ASIC un FPGA. Piemēram, datora centrālā procesora kodols vai mobilā telefona sistēma uz čipa (SoC).
- Analogās mikroshēmas — pastiprinātāji, analogās regulēšanas ķēdes, operacionālie pastiprinātāji (op-amp), salīdzinātāji un signālu apstrādes bloki.
- Jaukto signālu mikroshēmas — apvieno analogās un digitālās funkcijas, piemēram, ADC (analog-digital konvertori), DAC (digital-analog konvertori) un RF front-end risinājumi.
- Atmiņas ierīces — DRAM, SRAM, Flash, EEPROM — tās nodrošina īslaicīgu vai ilglaicīgu datu glabāšanu.
Ieguvumi un ierobežojumi
- Ieguvumi: mazāka izmēra un masas, zemākas ražošanas izmaksas masveidā, augstāka ātrdarbība un energoefektivitāte, lielāka uzticamība salīdzinājumā ar diskrētām detaļām.
- Ierobežojumi: augstas inicializācijas izmaksas (IC dizaina un ražošanas līnijas izmaksas), termiskās vadības problēmas (siltuma atdalīšana), ierobežota remontspēja — bojātu mikroshēmu parasti nomaina, nevis labo.
Iepakojums un savienojumi
Mikroshēmas tiek iesaiņotas dažādos iepakojumos atkarībā no pielietojuma: DIP (caur caurumiem), QFP, BGA (bola masīva iepakojums), CSP un citi. Savienojumiem var izmantot wire bonding (sīkie vadi starp mikroshēmu un paketi) vai flip-chip tehnoloģiju, kur čips tiek pagriezts un pievienots tieši uz pamatplates, nodrošinot īsākus signāla ceļus un labāku termisko vadību.
Testēšana un uzticamība
Pēc ražošanas mikroshēmas tiek pārbaudītas, lai atklātu defektus. Testēšana ietver funkcionalitātes testus, automātisku testu iekārtu (ATE) pārbaudes, temperatūras un stresa testus. Uzticamība ir svarīga īpaši automobiļu, medicīnas un kosmosa lietojumos, kur prasības pret kļūdu skaitu ir ļoti stingras.
Lietojumi
Integrālās shēmas ir visur: mobilajos telefonos, datoros, sadzīves tehnikā, automobiļos (dzinēja vadība, drošības sistēmas), medicīnas ierīcēs (monitori, implanti), telekomunikāciju iekārtās, rūpnieciskajās kontroles sistēmās un aizsardzības tehnoloģijās. Specializētas mikroshēmas (ASIC) tiek izstrādātas konkrētiem uzdevumiem, piemēram, kriptogrāfijas, signālu apstrādes vai tīkla ierīču vajadzībām.
Nākotnes tendences
- 3D integrācija un chiplet arhitektūras, kas ļauj blīvāk salikt vairāk funkciju kompaktu sistēmu veidošanai.
- Jaunas materiālu un tehnoloģiju attīstības — FinFET, GAA (gate-all-around), SiC un GaN jaudīgām un RF lietojumprogrammām.
- Energoefektivitātes uzlabojumi un speciālizētas arhitektūras mākslīgā intelekta aprēķiniem.
- Hiperskaņas testēšana, drošības funkciju integrācija un uzticamības paaugstināšana kritiskos lietojumos.
Integrālās shēmas turpina būt elektronikas un digitālās pasaules pamatelements — no vienkāršiem slēdžiem un sensoru interfeisiem līdz sarežģītiem datu centrālu procesoriem un mākslīgā intelekta akceleratoriem. Saprašana par to darbību, ražošanu un pielietojumiem palīdz labāk novērtēt mūsdienu tehnoloģiju iespējas un ierobežojumus.
Pusvadītāju
Pusvadītāju, piemēram, silīciju, var kontrolēt, lai ļautu (vai neļautu) plūst strāvai. Tas ļauj izgatavot tranzistorus, kas var kontrolēt viens otru. Tie ir atrodami daudzos sadzīves priekšmetos, piemēram, radioaparātos, datoros, telefonos un daudzos citos. Citas pusvadītāju ierīces ir saules baterijas, diodes un gaismas diodes (LED).
Dubultās iebūvējamās paketes (DIP) sānu skats
Plastmasas četrpakāpju plakanā iepakojuma (PQFP) attēls
Izgudrojums
1958. un 1959. gadā diviem cilvēkiem gandrīz vienlaicīgi radās ideja par integrisko shēmu. Tranzistori bija kļuvuši par ikdienišķu lietu, ko izmantoja sadzīves ierīcēs, piemēram, radioaparātos. Tie ietekmēja visu, sākot ar radioaparātiem un beidzot ar telefoniem, un tajā laikā ražotājiem bija nepieciešams mazāks vakuumlampu aizstājējs. Tranzistori bija mazāki par vakuumlampām, taču dažām jaunākajām elektronikas iekārtām, piemēram, raķešu vadībai, tie nebija pietiekami mazi.
Kādu jūlija dienu Džeks Kilbijs strādāja uzņēmumā Texas Instruments, kad viņam ienāca prātā, ka visas shēmas daļas, ne tikai tranzistoru, varētu izgatavot no silīcija. Tajā laikā neviens nebija iebūvējis kondensatorus un rezistorus integrālās shēmās. Tas mainītu nākotni un atvieglotu integrālo shēmu ražošanu un pārdošanu. Kilbija priekšniekam šī ideja patika, un viņš lika viņam ķerties pie darba. Līdz 12. septembrim Kilbijs bija uzbūvējis darbojošos modeli, un 6. februārī Texas Instruments iesniedza patentu. Viņu pirmā "cietā shēma" bija pirksta gala lielumā.
Tikmēr Kalifornijā citam vīrietim bija tāda pati ideja. 1959. gada janvārī Roberts Noiss (Robert Noyce) strādāja nelielā jaunuzņēmumā Fairchild Semiconductor. Viņš arī saprata, ka vienā mikroshēmā var ievietot veselu shēmu. Kamēr Kilbijs bija izstrādājis atsevišķu komponentu izgatavošanas detaļas, Noiss izdomāja daudz labāku veidu, kā savienot detaļas. Šo konstrukciju nosauca par "vienotu shēmu". Visas šīs detaļas atmaksājās, jo 1961. gada 25. aprīlī, kamēr Kilbija pieteikums vēl tika analizēts, patentu birojs pirmo integrālās shēmas patentu piešķīra Robertam Noisam. Mūsdienās tiek atzīts, ka abi vīrieši šo ideju radījuši neatkarīgi.
Drīz vien parādījās divu veidu integrālās shēmas: hibrīdās (HIC) un monolītās (MIC). Hibrīdi 20. gadsimta beigās izzuda.
Paaudzes
| Nosaukums | Periods | Tranzistoru skaits katrā mikroshēmā (aptuveni) |
| SSI (maza mēroga integrācija) | 60. gadu sākums | vienā mikroshēmā ir tikai daži tranzistori |
| MSI (vidēja mēroga integrācija) | 60. gadu beigas | simtiem tranzistoru katrā mikroshēmā. |
| LSI (liela mēroga integrācija) | 70. gadu vidus | desmitiem tūkstošu tranzistoru vienā mikroshēmā. |
| VLSI (ļoti liela mēroga integrācija) | 20. gadsimta beigās gadsimts | simtiem tūkstošu tranzistoru |
| ULSI (Ultra-Large Scale Integration) | 21. gadsimts | vairāk nekā 1 miljons tranzistoru |
※ Atšķirība starp VLSI un ULSI nav precīzi definēta.
Klasifikācija
Integrālās shēmas var tikt iepakotas kā DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small-outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) un cita veida mikroshēmas. Dažas mazās mikroshēmas ir iepakotas virsmas montāžas tehnoloģijā. Iekšpusē ievietotie tranzistori var būt bipolārie tranzistori neparastās shēmās, piemēram, tādās, kurās nepieciešams ļoti liels pārslēgšanās ātrums. Tomēr lielākoties tie ir MOSFET.
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
Q: Kas ir integrālā shēma?
A: Integrālā shēma, saukta arī par integrālo shēmu vai mikroshēmu, ir speciāli sagatavots silīcija gabals, uz kura, izmantojot fotolitogrāfiju, ir iegravēta elektroniskā shēma.
J: Kādi ir daži ierīču piemēri, ko var ievietot silīcija mikroshēmā?
A: Silīcija mikroshēmās var būt loģiskie vārti, datoru procesori, atmiņa un īpašas ierīces.
J: Kāpēc mikroshēmu ieskauj plastmasas iepakojumā?
A: Mikroshēma ir ļoti trausla, tāpēc tās aizsardzībai izmanto plastmasas iepakojumu.
J: Kā notiek elektriskais kontakts ar mikroshēmu?
A: Elektriskais kontakts ar mikroshēmu tiek nodrošināts, izmantojot sīkus vadus, kas savieno mikroshēmu ar lielākiem metāla tapām, kuras izvirzītas no iepakojuma.
J: Kādas ir divas priekšrocības, izmantojot integrālās shēmas, nevis diskrētās shēmas?
A: Mikroshēmām ir divas galvenās priekšrocības salīdzinājumā ar diskrētām shēmām: izmaksas un veiktspēja. Izmaksas ir zemas, jo vienā mikroshēmā var ievietot miljoniem tranzistoru, nevis veidot shēmu ar atsevišķiem tranzistoriem. Veiktspēja ir augstāka, jo komponenti var darboties ātrāk un patērē mazāk enerģijas.
J: Kādi ir dažādi integrālās shēmas veidi?
A: Integrālās shēmas var iedalīt analogajās, digitālajās un jaukto signālu shēmās (gan analogās, gan digitālās vienā mikroshēmā).
J: Vai vienu mikroshēmu var izstrādāt konkrētam mērķim?
A: Jā, mikroshēmu var izstrādāt konkrētam mērķim, piemēram, kalkulatora mikroshēmu, kas var darboties tikai kā kalkulators.
