Как разработать микросхему. Собственный процессор (почти) / Хабр

Как же разработать свою микросхему. Задался я этим вопросом, когда я захотел создать собственный процессор. Пошёл я гуглить и ничего годного не нашёл. Ответы в основном два։ «Ты не сделаешь свой процессор, потому что слишком сложно» и «Забей и собери компьютер из комплектующих».

Очевидно что это меня не устаивает, поэтому я решил изучить вопрос серьезнее. Оказалось можно сделать свой процессор описав его с помощью Verilog и FPGA. Купил плату в китае, 3 года спокойными темпами написал свой процессор, оттестировал, скомпилировал и залил на FPGA. Но мне этого недостаточно.

Так как же разработать микросхему?

Давайте сначала разберёмся из чего состоит микросхема. Все микросхемы состоят из кремния и корпуса.

Корпус это кусок пластика и несколько проводов к выводам корпуса. А есть еще кремний. Корпуса микросхем имеют миллион вариантов корпусировки и к этому мы даже не будем подходить. Существует два варианта расположения кристала. Вверх металлом и вниз металлом. На картинке изображены микросхемы вверх металлом. Вниз металлом имеет преимущество ввиду того, что не надо провода проводить.

А как же кремний

Кремний производиться на заводе. Каждый завод имеет свою технологию производства. Мы будем рассматривать только технологии 130нм ибо про нее я знаю достаточно много.

Для того, чтобы производитель произвёл вашу микросхему вам нужно предоставить им GDS-II файл, который является грубо говоря векторной многослойной картинкой вашей микросхемы.

Первым шагом к разработке является։ связаться с производителем. Если у вас меньше чем 10000 баксов, забудьте. Лучше рассмотреть Multi project wafer service [ https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-project_wafer_service ].

Не все GDS-II файлы могут отправиться на производства. Для того, чтобы понять что можно произвести, а что нет вам понадобиться несколько файлов.

GDS-II файл и так называемый Process Development Kit

На картинке вы можете видеть интегральную схему SHA3. Большая область справа это и есть SHA3 схема, а всё остальное так называемый Caravel Harness. Для того чтобы гугл смог произвести вашу микросхему по технологии SKY130 гугл требует чтобы ваша основанная схема справа и подключается к жёлтым точкам. Посмотреть на структуру Caravel Harness можно тут.

Интегральная схема SHA3 на технологии SKY130, https://efabless.com/projects/4

Process Development Kit эта такая кучка файлов которая содержит։

• Технологическая документация.

• Модели для симуляции элементов схемы в формате SPICE.

• Технологические файлы, которые позволяют связать файл GDS-II и слои при производстве.

• Библиотека примитивов — Транзисторов, резисторов, конденсаторов и так далее

• Правила Design Rule Check

  • Эти файлы привязаны к конкретному программному обеспеченью и содержат список правил, на которые в автоматическом режиме будут проверяться ваши интегральные схемы или её отдельные компоненты.

  • Primitive Extraction rules или правила описывающие примитивы. Эти правила позволяют превратить ваш GDS-II представление в список примитивов и их связей (netlist). Сгенерированный netlist также содержит паразитные конденсаторы и резисторы, а сам netlist используется для того чтобы произвести симуляцию компонентов как можно приближённой к реальной интегральной схеме.

  • Layout versus Schematic check или правила, которые позволяют получить из вашего GDS-II так называемый netlist. После чего его можно сравнить со схемой, которую вы нарисовали и уже про симулировали.

Например, установщик для технологии SKY130 (130нм) можно найти вот тут. Эти скрипты автоматически установят всё необходимое, но не спешите ниже мы найдём скрипт, который сделает все за нас.

Иногда производитель кремния также предоставляет так называемые файлы Standard Cell Library. Эти файлы предоставляют описание отдельных компонентов, который разработчик может использовать для разработки цифровых интегральных съем или её частей. К этому чуть позже.

Здесь стоит остановиться и понять, из чего конкретно состоит сам кремний.

Как рисовать транзистор и как он работает

Перед тем как что-то разработать нам нужно понять основу интегральных схем — транзисторы MOSFET. Существуют два типа которые мы будем использовать — NMOS и PMOS.

Давайте разберемся как работает транзистор и как он выглядит. Знакомьтесь։ транзистор

Транзистор N-MOS. Понять тип можно по типу двух контактов Source и Drain

Как мы здесь видим։ у транзистора есть несколько компонентов. Металл и контакт, а также N+ и P Substrate. Когда напряжение Vgs < Vth тогда NMOS закрыт. Когда Vgs >= Vth, а Vds < Vgs — Vth тогда транзистор находиться в линейном режиме. Когда Vgs >= Vth и Vds > Vgs — Vth тогда транзистор находиться в открытом состоянии. Похожим образом работает PMOS, но в отличии от NMOS он закрывается, а не открывается.

А теперь знакомьтесь։ транзистор PMOS (сверху) и NMOS (снизу)

Схема инвертера в Magic от спидраннера инвертеров на Ютубе

Разработка аналоговых компонентов

Давайте не буду вас томить. Установите в виртуалку Ubuntu и следуйте следующим шагам։ https://github.com/efabless/openlane#quick-start. Я бы установил его в ~/openlane_exp/ ибо именно этот путь я использую в примере

Для того чтобы установить программы которыми мы будем пользоваться следуйте следующим шагам։ https://github.com/armleo/sky130_ubuntu_setup/blob/main/install_tools.sh

Также вам может быть интересен https://inst.eecs.berkeley.edu/~cs250/fa20/labs/lab1/

Нам нужны следующие программы

• OpenLANE, который установит модели для симуляции и отдельные компоненты и примитивы в соответствующей папке. Почитайте документацию очень интересно. Бесплатный установщик skywater PDK + скрипты для использования разных программ для того чтобы в автоматическом режиме скомпилировать вашу цифровую схему. Кроме того образ докера с предустановленными ПО для компиляции.

  • Yosys. Гордость проектов с открытым исходным кодом. Автор։ Claire Wolf. Позволяет скомпилировать ваш Verilog в gate-level представление, которое описывает вашу цифровую схему в виде отдельных компонентов. Замена Design Compiler от Synopsys

  • Куча других ПО, которые в автоматическом режиме превращают ваш gate-level в GDS-II. Об этом будет в соответствующей главе

• skywater-pdk. Открытый PDK skywater 130nm. Содержит также так называемые готовые цифровые компоненты, примитивные компоненты и библиотека ячеек ввода-вывода

• ngspice, Открытый симулятор spice. На удивление неплохой, но я конечно же рекомендую коммерческие симуляторы например HSPICE от Synopsys.

• xschem, открытая программа для рисования схем. Бесплатная замена CustomCompiler от Synopsys

• klayout, для рисования и открытия GDS-II. Бесплатная замена CustomCompiler от Synopsys

• Magic, программа которая может производить DRC, и не только. Вообще очень полезная штука. Бесплатная замена IC Validator от Synopsys

• Netgen, программа которая может делать LVS проверку. Бесплатная замена IC Validator от Synopsys

• OpenRAM.

  Компилятор элементов памяти. Замена Memory Compiler от Synopsys. К сожалению мы не можем им пользоваться ибо у нас нет файлов технологической настройки, который закрыты из-за NDA. Правда готовые блоки с синхронными входами и выходами можно найти здесь.

Давайте уже к практике. Учтите что вам нужно поменять много параметров, надеюсь разберетесь.

cd ~/openlane_exp/openlane
docker run -it --rm -v /home/armleo/openlane_exp/openlane:/openLANE_flow \
-v /home/armleo/openlane_exp/openlane/pdks:/home/armleo/openlane_exp/openlane/pdks \
-e PDK_ROOT=/home/armleo/openlane_exp/openlane/pdks \
-e PDKPATH=/home/armleo/openlane_exp/openlane/pdks/sky130A/libs.tech/magic \
-v /tmp/.X11-unix:/tmp/.X11-unix \
-v /home/armleo/openlane_exp:/home/armleo/openlane_exp \
-e DISPLAY=unix$DISPLAY \
-u 1000:1001 efabless/openlane:v0.12
klayout /home/armleo/openlane_exp/openlane/pdks/skywater-pdk/libraries/sky130_fd_sc_hd/latest/cells/inv/sky130_fd_sc_hd__inv_1.gd

Команды сверху установят пример инвертера и запустит докер с проброской из моей домашней папки и проброской X11 для окон.

После открытия надо подключить технологические файлы.

Инвертер

Да выглядит уродливо, зато бесплатно ։D.

Давайте поймём что это за схема, как она работает и из чего состоит. Сверху синий слой это метал по которому подключается SOURCE и BULK ножки PMOS транзистора к VDD или позитивному напряжению. Снизу слой металла по которому идёт VGND или заземление, который подключается к ножке SOURCE и BULK NMOS транзистора.

Ножки GATE подключенные к друг другу и к вводному сигналлу A с использованием слоя полисиликона LI1.

Выход подключен к контакту Y с использованием слоя полисиликона LI1.

Инвертер работает следующим образом։

• NMOS открыт, когда на входе высокое напряжение, а PMOS закрыт. Таким образом на выходе получается низкое напряжение. NMOS открыт, поэтому низкое напряжение подаётся на выход, но короткого замыкания не просиходит, посколько PMOS закрыт.

• NMOS закрыт, когда на входе низкое напряжение, а PMOS открыт и VDD подключен к сигналу Y. NMOS закрыт, поэтому низкое напряжение не подаётся на выход, и короткого замыкания не происходит. Таким образом на выходе получается высокое напряжение.

Схема в разрезе։

Схема соответствующая инвертеру։

Здесь вы можете видеть, что у транзистора на самом деле 4 ноги։ DRAIN, SOURCE, GATE, BULK.

В следующей частях разберемся։

• как нарисовать несколько компонентов (NAND, NOR), сделать LVS, DRC, PEX и провести симуляцию.

• Поймем, что такое последовательные компоненты (Sequential components) — Latch, Flip-flop

• После мы разберём как скомпилировать наш Verilog в GDS.

• Поймём как собрать нашу схему в Caravel

Глава 25. Интегральные микросхемы . Введение в электронику

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Объяснить важность интегральных микросхем.

• Перечислить преимущества и недостатки интегральных микросхем.

• Перечислить основные компоненты интегральной микросхемы.

• Описать четыре процесса, используемых при производстве интегральных микросхем.

• Перечислить основные типы корпусов интегральных микросхем.

• Перечислить семейства интегральных микросхем.

Применение транзисторов и других полупроводниковых устройств, благодаря их малым размерам и незначительному энергопотреблению, позволило существенно уменьшить размеры электронных цепей. В настоящее время стало возможным расширить этот принцип и рассматривать цепи как отдельные компоненты. Целью разработки интегральных микросхем является получение устройства, выполняющего определенную функцию, такую, как например, усиление или переключение, устраняющего разрыв между отдельными компонентами и цепями.

Интегральные микросхемы стали популярными благодаря нескольким факторам:

• Они надежны в сложных цепях.

• Они потребляют малую мощность.

• Они имеют малые размеры и вес.

• Они экономичны в производстве.

• Они предлагают новые и лучшие решения системных задач.

25-1. ВВЕДЕНИЕ В ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема (ИС)

 — это законченная электронная цепь в корпусе не большем, чем стандартный маломощный транзистор (рис. 25-1).

Рис. 25-1. Корпуса интегральных микросхем.

Цепь состоит из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. Интегральные микросхемы производятся по такой же технологии и из таких же материалов, которые используются при производстве транзисторов и других полупроводниковых устройств.

Наиболее очевидным преимуществом интегральной микросхемы является ее малый размер. Интегральная микросхема состоит из кристалла полупроводникового материала, размером примерно в один квадратный сантиметр.

Благодаря малым размерам интегральные микросхемы находят широкое применение в военных и космических программах. Интегральная микросхема превратила калькулятор из настольного в ручной инструмент. Компьютерные системы, которые раньше занимали целые комнаты, теперь превратились в портативные модели благодаря интегральным микросхемам.

Вследствие малых размеров, интегральные микросхемы потребляют меньшую мощность и работают с более высокой скоростью, чем стандартные транзисторные цепи. Время перемещения электронов уменьшилось благодаря прямой связи внутренних компонент.

Интегральные микросхемы более надежны чем непосредственно связанные транзисторные цепи. В интегральной микросхеме внутренние компоненты соединены непрерывно. Все компоненты сформированы одновременно, что уменьшает вероятность ошибки. После того как интегральная микросхема сформирована, она проходит предварительное тестирование перед окончательной сборкой.

Производство многих типов интегральных микросхем унифицировано, и это приводит к существенному снижению их стоимости. Производители предлагают полные и стандартные линии микросхем. Интегральные микросхемы специального назначения могут производится и по специальному заказу, но если их количество невелико, это приводит к повышению их стоимости.

Интегральные микросхемы уменьшают количество деталей, необходимых для конструирования электронного оборудования. Это уменьшает списки деталей и, следовательно, накладные расходы производителя, что в дальнейшем снижает цену электронного оборудования.

Интегральные микросхемы имеют также и некоторые недостатки. Они не могут работать при больших значениях тока и напряжения. Большие токи создают избыточное тепло, повреждающее устройство. Высокие напряжения пробивают изоляцию между различными внутренними компонентами. Большинство интегральных микросхем являются маломощными устройствами, питающимися напряжением от 5 до 15 вольт и потребляющими ток, измеряющийся миллиамперами. Это приводит к потреблению мощности, меньшей чем 1 ватт.

Интегральные микросхемы содержат компоненты только четырех типов: диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Диоды и транзисторы — самые простые в изготовлении компоненты. Чем больше сопротивление резистора, тем больше он по размерам. Конденсаторы занимают больше места, чем резисторы, и также увеличиваются в размере по мере увеличения емкости.

Интегральные микросхемы не ремонтируются. Это обусловлено тем, что внутренние компоненты не могут быть отделены друг от друга. Следовательно, проблема ремонта решается заменой микросхемы, а не заменой отдельных компонент. Преимущество этого «недостатка» состоит в том, что он сильно упрощает эксплуатацию систем высокой сложности и уменьшает время, необходимое персоналу для сервисного обслуживания оборудования.

Если все факторы собрать вместе, то преимущества перевесят недостатки. Интегральные микросхемы уменьшают размеры, вес и стоимость электронного оборудования, одновременно увеличивая его надежность. По мере усложнения микросхем, они стали способны выполнять более широкий круг операций.

25-1. Вопросы

1. Дайте определение интегральной микросхемы.

2. В чем преимущества интегральных микросхем?

3. В чем недостатки интегральных микросхем?

4. Какие компоненты могут быть включены в интегральные микросхемы?

5. В чем состоит процедура ремонта неисправной интегральной микросхемы?

25-2. ПРОИЗВОДСТВО ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Интегральные микросхемы классифицируются согласно способу их изготовления. Наиболее широко используются следующие способы изготовления: монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный.

Монолитные интегральные микросхемы изготавливаются так же, как и транзисторы, но включают несколько дополнительных шагов (рис. 25-2).

Рис. 25-2. Монолитный метод изготовления микросхем.

Рис. 25-2. Продолжение.

Изготовление интегральной микросхемы начинается с круглой кремниевой пластины, диаметром 8-10 сантиметров и около 0,25 миллиметра толщиной. Она служит основой (подложкой), на которой формируется интегральная микросхема. На одной подложке одновременно формируется много интегральных микросхем, до нескольких сотен, в зависимости от размера подложки. Обычно на подложке все микросхемы одинакового размера и типа и содержат одинаковое количество и одинаковые типы компонент.

После изготовления интегральные микросхемы тестируются прямо на подложке. После тестирования подложка разрезается на отдельные чипы. Каждый чип представляет собой одну интегральную микросхему, содержащую все компоненты и соединения между ними. Каждый чип, который проходит тест контроля качества, монтируется в корпус. Несмотря на то, что одновременно изготовляется большое количество интегральных микросхем, далеко не все из них оказываются пригодными для использования.

Эффективность производства характеризуют таким параметром как выход. Выход — это максимальное число пригодных интегральных микросхем по сравнению с полным числом изготовленных.

Тонкопленочные интегральные микросхемы формируются на поверхности изолирующей подложки из стекла или керамики, обычно размером около 5 квадратных сантиметров. Компоненты (резисторы и конденсаторы) формируются с помощью очень тонких пленок металлов и окислов, наносимых на подложку. После этого наносятся тонкие полоски металла для соединения компонентов.

Диоды и транзисторы формируются как отдельные полупроводниковые устройства и подсоединяются в соответствующих местах. Резисторы формируются нанесением тантала или нихрома на поверхность подложки в виде тонкой пленки толщиной 0,0025 миллиметра. Величина резистора определяется длиной, шириной и толщиной каждой полоски. Проводники формируются из металлов с низким сопротивлением, таких как золото, платина или алюминий. С помощью этого процесса можно создать резистор с точностью ±0,1 %.

Возможно также получить отношение резисторов с точностью ±0,01 %. Такие точные отношения важны для правильной работы некоторых цепей.

Тонкопленочные конденсаторы состоят из двух тонких слоев металла, разделенных тонким слоем диэлектрика. Металлический слой нанесен на подложку.

После этого на металл наносится слой окисла, образующего диэлектрическую прокладку конденсатора. Она формируется обычно такими изолирующими материалами, как окись тантала, окись кремния или окись алюминия. Верхняя часть конденсатора создается из золота, тантала или платины, нанесенных на диэлектрик. Полученное значение емкости конденсатора зависит от площади электродов, а также от толщины и типа диэлектрика.

Чипы диодов и транзисторов формируются с помощью монолитной техники и устанавливаются на подложке. После этого они электрически соединяются с тонкопленочной цепью с помощью очень тонких проводников.

Материалы, используемые для компонентов и провод- ников, наносятся на подложку методом испарения в вакууме или методом напыления. В процессе испарения в вакууме материал достигает предварительно нагретой подложки, помещенной в вакуум. После этого пары конденсируются на подложке, образуя тонкую пленку.

Процесс напыления происходит в газонаполненной камере при высоком напряжении. Высокое напряжение ионизирует газ, и материал, который должен быть напылен, бомбардируется ионами. Ионы выбивают атомы из напыляемого материала, которые затем дрейфуют по направлению к подложке, где и осаждаются в виде тонкой пленки. Для осаждения пленки нужной формы и в нужном месте используется маска. Другой метод состоит в покрытии всей подложки полностью и вырезания или вытравливания ненужных участков.

При толстопленочном методе резисторы, конденсаторы и проводники формируются на подложке методом трафаретной печати: над подложкой размещается экран из тонкой проволоки и металлизированные чернила делают сквозь него отпечаток. Экран действует как маска. Подложка и чернила после этого нагреваются до температуры свыше 600 градусов Цельсия для затвердевания чернил.

Толстопленочные конденсаторы имеют небольшие значения емкости (порядка пикофарад). В тех случаях, когда требуются более высокие значения емкости, используются дискретные конденсаторы. Толстопленочные компоненты имеют толщину 0,025 миллиметра. Толстопленочные компоненты похожи на соответствующие дискретные компоненты.

Гибридные интегральные микросхемы формируются с использованием монолитных, тонкопленочных, толстопленочных и дискретных компонентов. Это позволяет получать цепи высокой степени сложности, применяя монолитные цепи, и в то же самое время использовать преимущества высокой точности и малых допусков, которые дает пленочная техника. Дискретные компоненты употребляются потому, что они могут работать при относительно высокой мощности.

Если изготовляется небольшое количество микросхем, то дешевле использовать гибридный метод формирования. При гибридном процессе основные расходы приходятся на соединение и сборку компонентов и упаковку устройства в корпус. Так как гибридные микросхемы используют дискретные компоненты, они больше и тяжелее, чем монолитные интегральные микросхемы. Использование дискретных компонентов делает гибридные микросхемы менее надежными, чем монолитные.

25-2. Вопросы

1. Какие методы используются для изготовления интегральных микросхем?

2. Опишите процесс изготовления монолитных микросхем.

3. В чем различие между тонкопленочным и толстопленочным методами изготовления микросхем?

4. Как изготавливают гибридные микросхемы?

5. Что определяет выбор процесса, который будет использован при изготовлении интегральной микросхемы?

25-3. КОРПУСА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Интегральные микросхемы упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других загрязнений. Наиболее популярным является корпус с двухрядным расположением выводов (DIP). Он производится нескольких размеров для того, чтобы соответствовать различным размерам интегральных микросхем: микросхемам малой степени интеграции (SSI), микросхемам средней степени интеграции (MSI), микросхемам большой степени интеграции (LSI или БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (VLSI или СБИС) (рис. 25-3).

Рис. 25-3. Семейства интегральных микросхем.

Корпуса изготовляются либо из керамики, либо из пластмассы. Пластмассовые корпуса дешевле и более пригодны для применения при рабочей температуре от 0 до 70 градусов Цельсия. Микросхемы в керамических корпусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Они, кроме того, работают в более широком диапазоне температур (от -55 до +125 градусов Цельсия). Микросхемы в керамических корпусах рекомендуются для использования в военной и аэрокосмической технике, а также в некоторых отраслях промышленности.

Маленький 8-выводный корпус типа DIP используется для устройств с минимальным количеством входов и выходов. В нем располагаются, главным образом, монолитные интегральные микросхемы.

Плоские корпуса меньше и тоньше чем корпуса типа DIP и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из металла или керамики и работают в диапазоне температур от -55 до +125 градусов Цельсия.

После того как интегральная микросхема заключена в корпус, она тестируется для проверки ее соответствия всем требуемым параметрам. Тестирование проводится в широком диапазоне температур.

25-3. Вопросы

1. Каково назначение корпусов интегральных микросхем?

2. Какие корпуса чаще всего используются для интегральных микросхем?

3. Какие материалы используются для корпусов интегральных микросхем?

4. В чем преимущества керамических корпусов?

5.  В чем преимущество плоских корпусов интегральных микросхем?

РЕЗЮМЕ

• Интегральные микросхемы популярны, потому что они:

— более надежны в качестве сложных цепей;

— потребляют маленькую мощность;

— являются миниатюрными и легкими;

— экономичны при изготовлении;

— обеспечивают новые и лучшие решения проблем.

• Интегральные микросхемы не могут работать при больших значениях токов и напряжений.

• Элементами интегральных микросхем могут быть только диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы.

• Интегральные микросхемы нельзя отремонтировать, их можно только заменить.

• Для изготовления интегральных микросхем используются монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный способы изготовления.

• Наиболее популярным корпусом интегральных микросхем является корпус типа DIP (с двухрядным расположением выводов)

• Корпуса интегральных микросхем изготовляются из керамики или пластмассы, но пластмассовые корпуса используются чаще.

Глава 25. САМОПРОВЕРКА

1. Какие компоненты содержат гибридные интегральные микросхемы?

2. Что обозначается словом «чип»?

3. Какие существуют проблемы при изготовлении резисторов и конденсаторов при производстве интегральных микросхем монолитным методом?

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА • Большая российская энциклопедия

ИНТЕГРА́ЛЬНАЯ СХЕ́МА (ИС, ин­те­граль­ная мик­ро­схе­ма, мик­ро­схе­ма), функ­цио­наль­но за­кон­чен­ное мик­ро­элек­трон­ное из­де­лие, пред­став­ляю­щее со­бой со­во­куп­ность элек­три­че­ски свя­зан­ных ме­ж­ду со­бой эле­мен­тов (тран­зи­сто­ров и др.), сфор­ми­ро­ван­ных в по­лу­про­вод­ни­ко­вой мо­но­кри­стал­лич. пла­сти­не. ИС яв­ля­ют­ся эле­мент­ной ба­зой всех совр. ра­дио­элек­трон­ных уст­ройств, уст­ройств вы­числит. тех­ни­ки, ин­фор­ма­ци­он­ных и те­ле­ком­му­ни­ка­ци­он­ных сис­тем.

Историческая справка

ИС изо­бре­те­на в 1958 Дж. Кил­би (Но­бе­лев­ская пр., 2000), ко­то­рый, не раз­де­ляя гер­ма­ние­вую мо­но­кри­стал­лич. пла­сти­ну на отд. сфор­ми­ро­ван­ные в ней тран­зи­сто­ры, со­еди­нил их ме­ж­ду со­бой тон­чай­ши­ми про­во­ло­ка­ми, так что по­лу­чен­ное уст­рой­ст­во ста­ло за­кон­чен­ной ра­дио­элек­трон­ной схе­мой. Спус­тя пол­го­да амер. фи­зик Р. Нойс реа­ли­зо­вал т. н. пла­нар­ную крем­ние­вую ИС, в ко­то­рой при ка­ж­дой об­лас­ти би­по­ляр­ных тран­зи­сто­ров (эмит­те­ре, ба­зе и кол­лек­то­ре) на по­верх­но­сти крем­ние­вой пла­сти­ны соз­да­ва­лись ме­тал­ли­зи­ров. уча­ст­ки (т. н. кон­такт­ные пло­щад­ки), а со­еди­не­ния ме­ж­ду ни­ми осу­ще­ст­в­ля­лись тон­ко­п­лё­ноч­ны­ми про­вод­ни­ка­ми. В 1959 в США на­чал­ся пром. вы­пуск крем­ние­вых ИС; мас­со­вое про­из-во ИС в СССР ор­га­ни­зо­ва­но в сер. 1960-х гг. в г. Зе­ле­но­град под рук. К. А. Ва­лие­ва.

Технология ИС

Структура интегральной схемы: 1 – пассивирующий (защитный) слой; 2 – верхний слой проводника; 3 – слой диэлектрика; 4 – межуровневые соединения; 5 – контактная площадка; . ..

Струк­ту­ра по­лу­про­вод­ни­ко­вой ИС по­ка­за­на на ри­сун­ке. Тран­зи­сто­ры и др. эле­мен­ты фор­ми­ру­ют­ся в очень тон­ком (до нескольких мкм) при­по­верх­но­ст­ном слое крем­ние­вой пла­сти­ны; свер­ху соз­да­ёт­ся мно­го­уров­не­вая сис­те­ма ме­жэ­ле­мент­ных со­еди­не­ний. С уве­ли­че­ни­ем чис­ла эле­мен­тов ИС ко­ли­че­ст­во уров­ней рас­тёт и мо­жет дос­ти­гать 10 и бо­лее. Ме­жэ­ле­мент­ные со­еди­не­ния долж­ны об­ла­дать низ­ким элек­трич. со­про­тив­ле­ни­ем. Это­му тре­бо­ва­нию удов­ле­тво­ря­ет, напр., медь. Ме­ж­ду слоя­ми про­вод­ни­ков раз­ме­ща­ют­ся изо­ли­рую­щие (ди­элек­трич.) слои ($\ce{SiO_2}$ и др.). На од­ной ПП пла­сти­не од­но­вре­мен­но фор­ми­ру­ет­ся до не­сколь­ких со­тен ИС, по­сле че­го пла­сти­ну раз­де­ля­ют на отд. кри­стал­лы (чи­пы).

Тех­но­ло­гич. цикл из­го­тов­ле­ния ИС вклю­ча­ет неск. со­тен опе­ра­ций, важ­ней­шей из ко­то­рых яв­ля­ет­ся фо­то­ли­то­гра­фия (ФЛ). Тран­зи­стор со­дер­жит де­сят­ки де­та­лей, кон­ту­ры ко­то­рых фор­ми­ру­ют­ся в ре­зуль­та­те ФЛ, оп­ре­де­ляю­щей так­же кон­фи­гу­ра­цию меж­со­еди­не­ний в ка­ж­дом слое и по­ло­же­ние про­во­дя­щих об­лас­тей (кон­так­тов) ме­ж­ду слоя­ми. В тех­но­ло­гич. цик­ле ФЛ по­вто­ря­ет­ся неск. де­сят­ков раз. За ка­ж­дой опе­ра­ци­ей ФЛ сле­ду­ют опе­ра­ции из­го­тов­ле­ния де­та­лей тран­зи­сто­ров, напр. оса­ж­де­ние ди­элек­трич., ПП и ме­тал­лич. тон­ких плё­нок, трав­ле­ние, ле­ги­ро­ва­ние ме­то­дом им­план­та­ции ио­нов в крем­ний и др. Фо­то­ли­то­гра­фия оп­ре­де­ля­ет ми­ни­маль­ный раз­мер (МР) отд. де­та­лей. Гл. ин­ст­ру­мен­том ФЛ яв­ля­ют­ся оп­тич. про­ек­ци­он­ные степ­пе­ры-ска­не­ры, с по­мо­щью ко­то­рых вы­пол­ня­ет­ся по­ша­го­вое (от чи­па к чи­пу) экс­по­ни­ро­ва­ние изо­бра­же­ния (ос­ве­ще­ние чи­па, на по­верх­ность ко­то­ро­го на­не­сён фо­то­чув­ст­вит. слой – фо­то­ре­зист, че­рез мас­ку, на­зы­вае­мую фо­то­шаб­ло­ном) с умень­ше­ни­ем (4:1) раз­ме­ров изо­бра­же­ния по от­но­ше­нию к раз­ме­рам мас­ки и со ска­ни­ро­ва­ни­ем све­то­во­го пят­на в пре­де­лах од­но­го чи­па. МР пря­мо про­пор­цио­на­лен дли­не вол­ны ис­точ­ни­ка из­лу­че­ния. Пер­во­на­чаль­но в ус­та­нов­ках ФЛ ис­поль­зо­ва­лись $g$- и $i$-ли­нии (436 и 365 нм со­от­вет­ст­вен­но) спек­тра из­лу­че­ния ртут­ной лам­пы. На сме­ну ртут­ной лам­пе при­шли эк­си­мер­ные ла­зе­ры на мо­ле­ку­лах $\ce{KrF}$ (248 нм) и $\ce{ArF}$ (193 нм). Со­вер­шен­ст­во­ва­ние оп­тич. сис­те­мы, при­ме­не­ние фо­то­ре­зи­стов с вы­со­ки­ми кон­тра­стом и чув­ст­ви­тель­но­стью, а так­же спец. тех­ни­ки вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния при про­ек­ти­ро­ва­нии фо­то­шаб­ло­нов и степ­пе­ров-ска­не­ров с ис­точ­ни­ком све­та дли­ной вол­ны 193 нм по­зво­ля­ют дос­тичь МР, рав­ных 30 нм и ме­нее, на боль­ших чи­пах (пло­ща­дью 1–4 см²) с про­из­во­ди­тель­но­стью до 100 пла­стин (диа­мет­ром 300 мм) в час. Про­дви­же­ние в об­ласть мень­ших (30–10 нм) МР воз­мож­но при ис­поль­зо­ва­нии мяг­ко­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния или экс­тре­маль­но­го ульт­ра­фио­ле­та (ЭУФ) с дли­ной вол­ны 13,5 нм. Из-за ин­тен­сив­но­го по­гло­ще­ния из­лу­чения ма­те­риа­ла­ми на этой дли­не вол­ны не мо­жет быть при­ме­не­на пре­лом­ляю­щая оп­ти­ка. По­это­му в ЭУФ-степ­пе­рах ис­поль­зу­ют от­ра­жаю­щую оп­ти­ку на рент­ге­нов­ских зер­ка­лах. Шаб­ло­ны так­же долж­ны быть от­ра­жаю­щи­ми. ЭУФ-ли­то­гра­фия яв­ля­ет­ся ана­ло­гом про­ек­ци­он­ной оп­ти­че­ской, не тре­бу­ет соз­да­ния но­вой ин­фра­струк­ту­ры и обес­пе­чи­ва­ет вы­со­кую про­из­во­ди­тель­ность. Т. о., тех­но­ло­гия ИС к 2000 пре­одо­ле­ла ру­беж 100 нм (МР) и ста­ла на­но­тех­но­ло­ги­ей.

Направления развития

ИС раз­де­ля­ют на циф­ро­вые и ана­ло­го­вые. Осн. до­лю циф­ро­вых (ло­ги­че­ских) мик­ро­схем со­став­ля­ют ИС про­цес­со­ров и ИС па­мя­ти, ко­то­рые мо­гут объ­е­ди­нять­ся на од­ном кри­стал­ле (чи­пе), об­ра­зуя «сис­те­му-на-кри­стал­ле». Слож­ность ИС ха­рак­те­ри­зу­ет­ся сте­пе­нью ин­те­гра­ции, оп­ре­де­ляе­мой чис­лом тран­зи­сто­ров на чи­пе. До 1970 сте­пень ин­те­гра­ции циф­ро­вых ИС уве­ли­чи­ва­лась вдвое ка­ж­дые 12 мес. Эта за­ко­но­мер­ность (на неё впер­вые об­ра­тил вни­ма­ние амер. учё­ный Г. Мур в 1965) по­лу­чи­ла на­зва­ние за­ко­на Му­ра. Позд­нее Мур уточ­нил свой за­кон: уд­вое­ние слож­но­сти схем па­мя­ти про­ис­хо­дит че­рез ка­ж­дые 18 мес, а про­цес­сор­ных схем – че­рез 24 мес. По ме­ре уве­ли­че­ния сте­пе­ни ин­те­гра­ции ИС вво­ди­лись но­вые тер­ми­ны: боль­шая ИС (БИС, с чис­лом тран­зи­сто­ров до 10 тыс.), сверх­боль­шая (СБИС – до 1 млн.), ульт­ра­боль­шая ИС (УБИС – до 1 млрд.) и ги­гант­ская БИС (ГБИС – бо­лее 1 млрд.).

Раз­ли­ча­ют циф­ро­вые ИС на би­по­ляр­ных (Би) и на МОП (ме­талл – ок­сид – по­лу­про­вод­ник) тран­зи­сто­рах, в т. ч. в кон­фи­гу­ра­ции КМОП (ком­пле­мен­тар­ные МОП, т. е. взаи­мо­до­пол­няю­щие $p$-МОП и $n$-МОП тран­зи­сто­ры, вклю­чён­ные по­сле­до­ва­тель­но в це­пи «ис­точ­ник пи­та­ния – точ­ка с ну­ле­вым по­тен­циа­лом»), а так­же БиК­МОП (на би­по­ляр­ных тран­зи­сто­рах и КМОП-тран­зи­сто­рах в од­ном чи­пе).

Уве­ли­че­ние сте­пе­ни ин­те­гра­ции дос­ти­га­ет­ся умень­ше­ни­ем раз­ме­ров тран­зи­сто­ров и уве­ли­че­ни­ем раз­ме­ров чи­па; при этом умень­ша­ет­ся вре­мя пе­ре­клю­че­ния ло­гич. эле­мен­та. По ме­ре умень­ше­ния раз­ме­ров умень­ша­лись по­треб­ляе­мая мощ­ность и энер­гия (про­из­ве­де­ние мощ­но­сти на вре­мя пе­ре­клю­че­ния), за­тра­чен­ная на ка­ж­дую опе­ра­цию пе­ре­клю­че­ния. 2$, где $C_Σ$ – сум­мар­ная ём­кость на­груз­ки на вы­хо­де ло­гич. эле­мен­та, $N$ – чис­ло ло­гич. эле­мен­тов на чи­пе, $f$ – час­то­та пе­ре­клю­че­ния, $U$ – на­пря­же­ние пи­та­ния. Прак­ти­че­ски вся по­треб­ляе­мая мощ­ность вы­де­ля­ет­ся в ви­де джо­уле­ва те­п­ла, ко­то­рое долж­но быть от­ве­де­но от кри­стал­ла. При этом к мощ­но­сти, по­треб­ляе­мой в ре­жи­ме пе­ре­клю­че­ния, до­бав­ля­ет­ся мощ­ность, по­треб­ляе­мая в ста­тич. ре­жи­ме (оп­ре­де­ля­ет­ся то­ка­ми $I_\text{выкл}$ и то­ка­ми утеч­ки). С умень­ше­ни­ем раз­ме­ров тран­зи­сто­ров ста­тич. мощ­ность мо­жет стать срав­ни­мой с ди­на­ми­че­ской и дос­ти­гать по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны 1 кВт на 1 см² крис­тал­ла. Про­бле­ма боль­шо­го энер­го­вы­де­ле­ния вы­ну­ж­да­ет ог­ра­ни­чи­вать макс. час­то­ту пе­ре­клю­че­ний вы­со­ко­про­из­во­дит. КМОП ИС диа­па­зо­ном 1–10 ГГц. По­это­му для уве­ли­че­ния про­из­во­ди­тель­но­сти «сис­тем-на-кри­стал­ле» ис­поль­зу­ют до­пол­ни­тель­но ар­хи­тек­тур­ные (т.  н. мно­го­ядер­ные про­цес­со­ры) и ал­го­рит­мич. ме­то­ды.

При дли­нах ка­на­ла МОП-тран­зи­сто­ров по­ряд­ка 10 нм на ха­рак­те­ри­сти­ки тран­зи­сто­ра на­чи­на­ют вли­ять кван­то­вые эф­фек­ты, та­кие как про­доль­ное кван­то­ва­ние (элек­трон рас­про­стра­ня­ет­ся в ка­на­ле как вол­на де Брой­ля) и по­пе­реч­ное кван­то­ва­ние (в си­лу узо­сти ка­на­ла), пря­мое тун­не­ли­ро­ва­ние элек­тро­нов че­рез ка­нал. По­след­ний эф­фект ог­ра­ни­чи­ва­ет воз­мож­но­сти при­ме­не­ния КМОП-эле­мен­тов в ИС, т. к. вно­сит боль­шой вклад в сум­мар­ный ток утеч­ки. Это ста­но­вит­ся су­ще­ст­вен­ным при дли­не ка­на­ла 5 нм. На сме­ну КМОП ИС при­дут кван­то­вые при­бо­ры, мо­ле­ку­ляр­ные элек­трон­ные при­бо­ры и др.

Ана­ло­го­вые ИС со­став­ля­ют ши­ро­кий класс схем, вы­пол­няю­щих функ­ции уси­ли­те­лей, ге­не­ра­то­ров, ат­те­нюа­то­ров, циф­роа­на­ло­го­вых и ана­ло­го-циф­ро­вых пре­об­ра­зо­ва­те­лей, ком­па­ра­то­ров, фа­зо­вра­ща­те­лей и т. д., в т. ч. низ­ко­час­тот­ные (НЧ), вы­со­ко­час­тот­ные (ВЧ) и сверх­вы­со­ко­час­тот­ные (СВЧ) ИС. {V}}$. Ана­ло­го­вые ИС час­то ис­поль­зу­ют вме­сте с сен­сор­ны­ми и мик­ро­ме­ха­ническими уст­рой­ст­ва­ми, био­чи­па­ми и др., ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют взаи­мо­дей­ст­вие мик­ро­элек­трон­ных уст­ройств с че­ло­ве­ком и ок­ру­жаю­щей сре­дой, и мо­гут быть за­клю­че­ны с ни­ми в один кор­пус. Та­кие кон­ст­рук­ции на­зы­ва­ют­ся мно­го­кри­сталь­ны­ми или «сис­те­ма­ми-в-кор­пу­се».

В бу­ду­щем раз­ви­тие ИС при­ве­дёт к слия­нию двух на­прав­ле­ний и соз­да­нию мик­ро­элек­трон­ных уст­ройств боль­шой слож­но­сти, со­дер­жа­щих мощ­ные вы­чис­лит. уст­рой­ст­ва, сис­те­мы кон­тро­ля ок­ру­жаю­щей сре­ды и сред­ст­ва об­ще­ния с че­ло­ве­ком.

Микросхемы памяти и их применение

Электронная промышленность всего мира уже выпустила и продолжает разработки все новых и новых типов микросхем памяти. Определенные требования, возникающие при изготовлении изделий электронной техники, вызывают потребность в приборах памяти, характеристики которых должны превосходить предшествующие разработки. На сегодня уже имеется широкий выбор микросхем памяти, но ни один тип не может считаться идеальным. Каждый тип памяти имеет не только что-то лучшее по сравнению со своими конкурентами, но и какие-то свои недостатки.

Таблица 1 показывает степень совершенства указанных типов памяти по некоторым показателям.

Таблица 1

Тип памяти:	Стоимость	Простота интерфейса	Энергонез-ть	Плотн-ть	Экспл. данные	Чтение/ /запись	Сохран. данных
Динамическое ОЗУ	+++			+++	++	+++
Статическое ОЗУ		+++		+	+++	+++
Энергонезавис. СОЗУ		+++	++	+	+++	+++	++
Способные секционир-ся энергонезав-е		+++	++	+	+++	+++	++
Псевдостатич. ОЗУ	+	+		++	+	+++
Флэш	++	++	++	++	++	+	++
Электрически программ-ая постоянная память ЭППЗУ (EEPROM)	+	++	+	+		+	+
Стираемая программи-ая постоянная память СППЗУ (EPROM)	++	++	++	++	+		++
Однократно программируемые PROM	+++	+++	+++	+++	+		+++
ПЗУ	+++	+++	+++	+++	+		+++

Динамическое ОЗУ. Динамическая оперативная память сохраняет информацию (лог. 1 или 0) на конденсаторе малой емкости, который входит в состав транзисторной ячейки. Размер ячейки ДОЗУ меньше, чем у СОЗУ, так что общая стоимость единицы памяти меньше. Но конденсаторы динамической оперативной памяти должны постоянно подзаряжаться, чтобы сохранять информацию. Это требует более сложной схемы интерфейса.

Статическое ОЗУ. По существу, это триггерное устройство с цифровым управлением, не требующее ни синхронизации, ни регенерации. Информация сохраняется до тех пор, пока имеется питание. СОЗУ имеет достаточно малое время доступа для чтения и записи, параллельную структуру адреса. Наилучшее применение СОЗУ нашла для памяти, имеющей невысокую плотность, но частый доступ, а также кэш-памяти.

Энергонезависимое СОЗУ (NV SRAM) — единственный блок, который содержит СОЗУ с низким энергопотреблением, энергонезависимый контроллер памяти и литиевую батарею. Когда основное питание становится ниже минимально требуемого для поддержания работоспособности СОЗУ, контроллер памяти в модуле переключает электропитание с внешнего источника на внутреннюю литиевую батарею и защищает от записи СОЗУ. Переходы от основного питания к питанию от литиевых батарей, и наоборот, прозрачны для СОЗУ и делают его истинно энергонезависимой памятью. Такая конструкция объединяет статические преимущества адресуемого СОЗУ — высокую скорость доступа, низкие требования по синхронизации с преимуществами энергонезависимой технологии СППЗУ. Если не стоит вопрос стоимости, то СОЗУ-модули с батарейным питанием от DSC являются идеалом для любого приложения, где традиционное СОЗУ было бы подходящим. Энергонезависимое СОЗУ по выводам совместимо с СОЗУ без батарейного питания.

Псевдостатическое ОЗУ — комбинация динамического и статического ОЗУ. По своей природе устройство является «статическим», не требуя регенерации для сохранения данных. Но для этого в ячейку памяти помещается вся требуемая логика регенерации. Как следствие, псевдостатическое ОЗУ имеет низкую плотность и более высокую стоимость, чем ДОЗУ.

Флэш-память объединяет возможность электрического стирания ЭСППЗУ с ячейкой, подобной программируемому СППЗУ. В результате модифицированная ячейка может быть стерта электрически в блоке с другими ячейками. Эта характеристика позволяет флэш-памяти принимать новый код или информацию в системе.

Электрически перепрограммируемая постоянная память (EEPROM). Недостаток электрически стираемой памяти в том, что невозможна перезапись в системе. Для этого требуется программатор с повышенным напряжением от 12,5 В и выше. Если же необходимо использовать источник питания напряжением 5 В, то для этого следует применять более дорогие схемы EEPROM, которые в своем составе имеют преобразователь, позволяющий при 5 В производить стирание старой информации и запись новой. Такие приборы имеют относительно высокое время доступа для чтения/записи. Ячейки EEPROM редко могут иметь число операций стирание/запись более 10 000. Память EEPROM может устанавливаться в системе и доступна как стандартная СОЗУ.

Стираемая программируемая постоянная память СППЗУ может стираться повышенным напряжением 12,5 В или ультрафиолетовым светом через окошко в верхней части корпуса микросхемы. Обычно эти микросхемы использовались в разработках и потом происходила их замена на более дешевые.

ПЗУ с однократным программированием. Обычно запись данных в ОТР PROM делают один раз. Эти микросхемы памяти одни из самых дешевых.

ПЗУ. Масочное постоянное запоминающее устройство. Является самым надежным хранителем информации. При этом микросхемы памяти не отличаются высоким быстродействием. Если имеется изделие, известны код/данные, то разрабатывается маска и выпускается самая дешевая и надежная память для чтения. Если же вкралась ошибка в информацию, то все запрограммированные микросхемы масочного ПЗУ — брак!

Оценивая указанные в табл. 1 типы памяти, можно отметить следующее. Высокая плотность и низкая стоимость разряда памяти относятся к динамическим ОЗУ. Масочные ПЗУ — наиболее дешевая память только для чтения и не нуждается в подпитке при хранении. Наилучшие показатели у тех типов памяти, которые расположились в середине таблицы. EEPROM обладает многими положительными качествами, но имеет ограниченное число циклов стирание/запись (10 000), длительное время записи и низкая плотность не совсем соответствуют сегодняшнему промышленному спросу.

Для систем, требующих хранения и защиты данных в случае пропадания питания, быстрого доступа чтение/запись, простой схемы управления — наилучшим образом подходят модули энергонезависимой памяти (NV SRAM), выпускаемые корпорацией Dallas Semiconductor (DSC). Рассмотрим данный тип памяти более подробно, поскольку пока по многим показателям (низко потребляемый кристалл СОЗУ, управляющий контроллер питания, литиевая батарейка) он эмулирует почти идеальную память.

Энергонезависимые СОЗУ производства Dallas Semiconductor

Корпорация Dallas Semiconductor является ведущей в мире по технологии производства энергонезависимых статических ОЗУ (NV SRAM). Каждый модуль этих изделий состоит из СОЗУ с низким энергопотреблением, маленькой литиевой батареи и фирменного энергонезависимого чипа управления. Все перечисленные компоненты вместе формируют энергонезависимую память, которая без внешнего питания может сохранять записанную информацию более 10 лет. Время доступа для чтения и записи составляет порядка 70 нс. Все эти особенности подразумевают, что выпускаемые DSC энергонезависимые CОЗУ могут считываться и записываться быстрее неограниченное количество раз и более безопасно, чем любой другой тип энергонезависимой памяти.

Если у потребителя имеются микросхемы СОЗУ и он хочет получить энергонезависимую память, DSC предлагает «разумные» панельки (smart Socket) со встроенными литиевыми батареями и энергонезависимыми чипами управления. Гнезда в панельке двухрядные под корпуса DIP микросхем СОЗУ.

Когда на рынке стали исчезать микросхемы с малым объемом памяти — 2Кх8 и 8Кх8, DSC разработала свои изделия ОЗУ на основе ячейки 6-Т. Типовое значение тока удержания составляет 50 нА!Для вспомогательного питания можно использовать литиевые батарейки, имеют минимальные размеры, а срок хранения данных — более 10 лет при комнатной температуре.

Память должна автоматически защитить запись при обнаружении изменения питающего напряжения — обычно в допуске 10 % от Uпит. Данные должны храниться в памяти в течение всего времени сбоя питания. Возникает вопрос: что будет с данными в то время, когда происходит сбой питания? При падении напряжения питания ниже 10 % уровня Uпит времени для системных вспомогательных функций уже нет. Что же необходимо сделать для сохранения данных, чтобы снижение питания обнаруживалось существенно раньше и микропроцессор мог выполнить вспомогательные функции по защите записи? Один из способов — использование второго напряжения, контролирующего устройство. DSC производит микросхему DS1233B — монитор напряжения на 5 В ± 5 % в 3-выводном корпусе ТО-92. Этот монитор выдает активный низкий сигнал сброса (RST) как только обнаружит выход основного питания из пятипроцентного допуска. Активный низкий сигнал может использоваться как запрос на прерывание микропроцессора. Таким образом, микропроцессор получает необходимое время для обслуживания прерывания, и энергонезависимая память защищается от записи. Рисунок 1 иллюстрирует эту ситуацию.

Рис. 1. Формирование сигнала IRQ

Микропроцессоры могут обслуживать прерывания и обрабатывать информацию быстрее, чем спад напряжения на 5 % от своего номинала. Конечно, необходимо, чтобы программное обеспечение, обслуживающее прерывания системы, было сконфигурировано для максимально быстрой идентификации внешнего прерывания.

Предположим некоторые условия, которые могут быть внутри рассматриваемой системы. Принимаем время снижения напряжения от 4,75 (0,0 5 Uпит) до 4 В (процессор работает еще нормально) за 300 мкс.

Микропроцессор работает на умеренной тактовой частоте 25 МГц. Микропроцессор представляет собой обычный 8-разрядный, которому на одну команду необходимо затратить 6 тактов. Исходя из этих данных, период тактовой частоты составляет 1/25 мГц = 40 нс.

Одна команда выполняется за 40ґ6 = 240 нс.

Скорость падения напряжения

Между началом выдачи команды с монитора (5 %) до 10 % от Uпит напряжение понижается на 0,25 В. Это происходит за время

Следовательно, за это время микропроцессор выполнит

Конечно, иметь в резерве 416 команд за время, когда микропроцессор может выполнить любые функции по завершению записи и сохранению данных в ОЗУ — это надежный показатель выполнения поставленной задачи. Если количество циклов на инструкцию меньше вышеуказанного или рабочая частота выше 25 МГц, вы имеете дополнительный резерв времени. Используя монитор DS1233B вместе с энергонезависимым СОЗУ, всегда можно получить дополнительное время для организованного системного завершения работы без разрушения памяти. В противном случае резервов вашего микропроцессора может не хватить для успешного завершения работы с СОЗУ. На рис. 2 представлены корпуса, в которых могут размещаться мониторы напряжения DS1233B.

Рис. 2. Корпуса мониторов напряжения DS1233B

Стандартная энергонезависимая память СОЗУ

Выпускаемая DSC энергонезависимая СОЗУ (табл. 2) имеет отдельный литиевый источник энергии и схему управления, которая постоянно контролирует основной источник питания Uпит по условию выхода напряжения из допуска. Когда напряжение Uпит снижается, выходя за пределы допуска, автоматически включается литиевая батарейка, и защита записи предотвращает нарушение целостности данных. Данные сохраняются, защита от записи остается до тех пор, пока Uпит вернется к номиналу, определяемому допуском. После этого литиевый источник выключается и память снова доступна. Поскольку эти блоки памяти основаны на СОЗУ технологии, время доступа для записи и чтения одинаково, а число этих операций не ограничено. Выпускаются приборы в корпусах DIP (600-mil) или Power Cap.

Таблица 2

Memory Size	5-Volt	3.3-Volt
2k x 8	DS1220AB/AD
8k x 8	DS1225AB/AD
32k x 8	DS1230Y/AB	DS1230W
128k x 8	DS1245Y/AB	DS1245W
256k x 8	DS1249Y/AB
512k x 8	DS1250Y/AB	DS1250W
1024k x 8	DS1265Y/AB
2048k x 8	DS1270Y/AB

Расширенная энергонезависимая память СОЗУ с монитором батареи

Все функциональные возможности DS12XX выполняются приборами, перечень которых приведен в табл. 3. Но у этой группы СОЗУ имеется достаточно сложный монитор батареи. Раз в 24 часа монитор применяет испытательную загрузку литиевой батареи и делает замер напряжения. Если напряжение батареи просаживается слишком низко, то вывод Battery Warning (BW) активизируется, чтобы указать потребность в замене батареи. Эти модули имеют встроенный элемент для обнуления центрального процессора. Микросхемы серии DS13XX выпускаются только в корпусе Power Cap.

Таблица 3

Memory Size	5-Volt	3.3-Volt
32k x 8	DS1330Y/AB	DS1330W
128k x 8	DS1345Y/AB	DS1345W
512k x 8	DS1350Y/AB	DS1350W

Новые модули Power Cap

Пакетный модуль Power Cap (рис. 3) дает возможность поверхностного крепления корпуса и его содержимого — энергонезависимого ОЗУ. Power Cap модули представляют уникальную конструкцию, состоящую из двух частей — монтируемой площадки ядра модуля, в которой размещены интегральные схемы и, собственно Power Cap с литиевой батареей. Power Cap — это верхняя половина блока, которая содержит контактные пружины, соединяющие литиевую батарею с ядром модуля. Если необходима смена батарейки, то конструкция модуля позволяет легко и быстро выполнить эту операцию.

Рис. 3. Пакетный модуль Power Cap

В течение системной сборки, пока идет пайка поверхности модуля, высокая температура не затрагивает температурно чувствительные литиевые батареи. Когда основание закреплено, пользователь просто зафиксирует Power Cap на базе модуля, чтобы сформировать законченный энергонезависимый СОЗУ-модуль. Пакетный модуль Power Cap имеет высоту 0,25 дюйма, площадь платы ядра составляет 0,96 кв. дюйма. Все приборы в этой упаковке имеют стандартную цоколевку и могут заменять энергонезависимую память других видов в корпусе с соответствующими выводами. Поставки изделий осуществляются в трех видах: модульное ядро, Power Cap, а также весь модуль Power Cap.

Торговая марка Power Cap — DS9034PC (только литиевая батарейка)

Все базовые модули с хронометрами используют Power Cap DS9034PCX (литиевая батарея и контроллер часов). В сборке Power Cap сохраняют плотный захват базы модуля и выдерживают целостность даже при вибрации и ударе. Съем Power Cap осуществляют с помощью отвертки. При установке и съеме (рис. 4, а, б) Power Cap категорически запрещается нажатие на центральную часть верха корпуса. Полный модуль с узлом Power Cap имеет в торговом названии дополнительный индекс Р. Например, базовая часть имеет название DS12xxY/AB/W. Соответственно, модуль будет иметь название DS12xxYP/ABP/WP.

Рис. 4. Установка и съем PowerCap

Выбор модуля энергонезависимой СОЗУ стандартного или расширенного варианта можно сделать, используя табл. 4.

Если вы остановили свой выбор на часах реального времени с энергонезависимым СОЗУ, то в выборе поможет табл. 5.

Хронометры сторожевой схемы с энергонезависимым СОЗУ представлены в табл. 6. Базовая схема DS1386 выпускается в 32-выводном DIP-корпусе и содержит контроллер часов реального времени с полным набором функциональных возможностей: тревога, таймер сторожевой схемы, таймер интервала. Все это доступно в байтовом формате. В DS1386 содержится также кварцевый резонатор, литиевая батарейка и кристалл СОЗУ.

Таблица 4

Memory Size	Nonvolatile SRAMs
	Standard		Enhanced
	5-Volt	3.3-Volt	5-Volt	3.3-Volt
8k x 8
32k x 8	DS1230YP/ABP	DS1230WP	DS1330YP/ABP	DS1330WP
128k x 8	DS1245YP/ABP	DS1245WP	DS1345YP/ABP	DS1345WP
512k x 8	DS1250YP/ABP	DS1250WP	DS1350YP/ABP	DS1350WP

Таблица 5

Memory Size	Timekeeping RAMs			Phantom Clocks
		Y2K-Compliant
	5-Volt	5-Volt	3. 3-Volt	5-Volt	3.3-Volt
8k x 8	DS1643P	DS1743P	DS1743WP
32k x 8	DS1644P	DS1744P	DS1744WP	DS1244YP	DS1244WP
128k x 8	DS1646P	DS1746P	DS1746WP	DS1248YP	DS1248WP
512k x 8	DS1647P	DS1747P	DS1747WP	DS1251P	DS1251WP

Таблица 6

Memory Size				Y2K-Compliant
	5-Volt	5-Volt	3.3-Volt	5-Volt	3.3-Volt
8k x 8	DS1386P-8	DS1543P	DS1543WP	DS1553P	DS1553WP
32k x 8	DS1386P-32			DS1554P	DS1554WP
128k x 8	DS1486P			DS1556P	DS1556WP
512k x 8				DS1557P	DS1557WP

Для модульного блока Power Cap выпускается базовая часть с памятью, монитором и контроллером батарей (к названию добавляется индекс Р), корпус Power Cap с литиевой батареей и кварцевый резонатор на 32,768 кГц.

«Интеллектуальные» панельки

Как было сказано выше, панелька состоит из двусторонней печатной платы, у которой на одной стороне устанавливается 8-выводной контроллер напряжения DS1213, а на другой — литиевый источник питания, залитый компаундом. Вся эта конструкция помещается в розетку и выпускается в трех модификациях DS1213B/C/D. Стандартная панелька обнаруживает сбой основного электропитания в пределах между 4,7 и 4,5 В, то есть диапазон обнаружения составляет 5 % от напряжения Uпит. Если необходимо расширить диапазон до 10 % от Uпит, то следует предпринять следующие шаги (рис. 5):

• разрезать металлическую дорожку, обозначенную на рисунке «TOL»;
• площадки металлизации, помеченные «Т», соединить перемычкой.

Рис. 5. «Интеллектуальная» панелька DS1213

Модернизация по увеличению объема памяти

Эта операция относится только к DS1213B и DS1213D. DS1213B, предназначенная для СОЗУ объемом 8Кх8, может быть преобразована в объем памяти 32Кх8. DS1213D, предназначенная для объема 128Кх8, может быть преобразована в память 512Кх8. Это достигается следующим образом:

• металлическую дорожку, обозначенную «U», разрезать;
• площадки металлизации, обозначенные «G», соединить перемычкой.

Интеллектуальные часы/ОЗУ имеют индекс DS1216B/C/D/H. Эти панельки имеют то же функциональное назначение, что и DS1213, но дополнительно на печатной плате устанавливается 16-выводная микросхема, которая содержит контроллер напряжения и фантомные часы в одном корпусе. Все DS1216 выпускаются с выходом сигнала «Сброс» (RTS) на выводе 1. Если сигнал «Сброс» не требуется, то достаточно металлическую дорожку, помеченную буквами «RES», перерезать.

Для увеличения объема устанавливаемой памяти ОЗУ, как и в случае с DS1213B/D, необходимо сделать следующее:

• разрезать металлическую дорожку помеченную буквой «U»;
• площадки металлизации, обозначенные «G», соединить перемычкой.

При этом DS 1216B модернизируются из объема 8Кх8 в память 32Кх8, а DS1216D — из 128Кх8 в 512Кх8.

Маломощные статические ОЗУ

Установленные в «интеллектуальные» панельки DS1213B литиевые батарейки рассчитаны на 10 лет хранения информации в СОЗУ, даже если к ним за все время работы не будет подключаться основное питание. Для повышения надежности работы батарейки желательно, чтобы ток, потребляемый микросхемой СОЗУ, был минимальным. Этому требованию соответствуют микросхемы DS2016. Они изготавливаются по КМОП-технологии и при температуре окружающей среды +25 °С при хранении потребляют:

• менее 50 нА при Uпит = 3 В;
• менее 100 нА при Uпит = 5,5 В;
• менее 1 мкА при Uпит = 5,5 В и t° = +60 °С.

Время доступа при 5 В у DS2016 — 100 > 100 нс, у DS2016 — 150 > 150 нс. При снижении питания до 3 В время доступа увеличивается до 250 нс.

Диапазон рабочих температур для данных микросхем –40…+85 °С. Если использовать для питания литиевые батареи, то ограничение диапазона температур происходит из-за того, что при –40 °С существенно снижается емкость батареи. Поэтому длительность работы батареи при отрицательных температурах не нормируется. Однако если не требуется автономная работа СОЗУ с литиевой батареей в течение 10 лет, то температура –40 °С является вполне реальным режимом работы. В этом случае микросхема DS2016 является наилучшим решением вышеуказанного требования. Вообще микросхема DS2016 с объемом памяти 2Кх8 пригодна как для работы с батареей, так и для случая, когда батарейное питание является вспомогательным. Наилучшим образом СОЗУ DS 2016 подходит для «интеллектуальной» панельки DS1213B.

Микросхемы СОЗУ имеют вход разрешение доступа к микросхеме (CE), который можно использовать для перевода в режим минимального потребления. Наличие сигналов управления CE, а также ОЕ позволяет объединять в параллель множество микросхем, получая, таким образом, необходимый объем памяти. Приборы СОЗУ поддерживают по входу и выходу уровни ТТЛ — схем в диапазоне напряжений 2, 7…5, 5 В. При одинаковых объемах памяти СОЗУ и ПЗУ обычно взаимозаменяемы по выводам и, соответственно, во многих применениях могут заменять друг друга.

Сообщество Экспонента

• вопрос
• 22.09.2022

Математика и статистика, Системы управления, Изображения и видео, Робототехника и беспилотники, Глубокое и машинное обучение(ИИ), Другое

Коллеги, добрый день.   Необходимо использовать corrcoef, а массивы разной длины.   Как сделать кол-во элементов одинаково?

Коллеги, добрый день.   Необходимо использовать corrcoef, а массивы разной длины.   Как сделать кол-во элементов одинаково?

8 Ответов

• вопрос
• 20.09.2022

Другое, Встраиваемые системы, Цифровая обработка сигналов, Системы управления

Здравствуйте!Возникла необходимость менять некоторое строчки в сишном файле автоматически, используя матлабовский скрипт. Прошерстил весь интернет, в т.ч. англоязычные форумы, не смог ничего найт…

Здравствуйте!Возникла необходимость менять некоторое строчки в сишном файле автоматически, используя матлабовский скрипт.  Прошерстил весь интернет, в т.ч. англоязычные форумы, не смог ничего найт…

• MATLAB

20.09.2022

• Публикация
• 15.09.2022

Системы управления, Другое

Видел видос на канале экспоненты по созданию топливной системы. Вопрос заключается в наличии более полного описания готового примера или соответсвующее документации. Я новичок в симулинке и ещё многого не знаю. Адекватных и раскрытых пособий по созданию гидрав…

Моделирование гидравлических систем в simulink

• Публикация
• 10.09.2022

Системы управления, Электропривод и силовая электроника, Другое

Планирую написать книгу про модельно-ориентированное программирование с автоматическим генерированием кода применительно к разработке разнообразных микропроцессорных систем управления электроприводов. В этой книге в научно-практическо-методической форме я план…

Планирую написать книгу про модельно-ориентированное программирование с автоматическим генерированием кода применительно к разработке разнообразных микропроцессорных систем управления электроприводов.

• Публикация
• 24.08.2022

Цифровая обработка сигналов, Системы связи, Математика и статистика

                                                                          &…

Здесь собрана литература по комбинированным методам множественного доступа, в которых используется разделение пользователей в нескольких ресурсных пространствах.

• вопрос
• 23.08.2022

Математика и статистика, Радиолокация, Цифровая обработка сигналов

Есть записанный сигнал с датчика (синус с шумом). Как определить соотношение сигнал/шум?

Есть записанный сигнал с датчика (синус с шумом). Как определить соотношение сигнал/шум?

4 Ответа

• ЦОС
• цифровая обработка сигналов

23.08.2022

• Публикация
• 23.08.2022

Цифровая обработка сигналов, Системы связи, Математика и статистика

                                                                          &. ..

Здесь соборана литература по методам множественного доступа с поляризационным разделением и разделением по орбитальном угловому моменту.

• Публикация
• 16.08.2022

Цифровая обработка сигналов, Системы связи, Математика и статистика

                                      

Здесь собрана литература по методам множественного доступа с пространственным разделением.

• вопрос
• 22.07.2022

Изображения и видео, Цифровая обработка сигналов, Математика и статистика, Биология, Встраиваемые системы, Глубокое и машинное обучение(ИИ), Автоматизация испытаний, ПЛИС и СнК, Системы управления, Другое

Здравствуйте. Мне нужно обработать большое количество файлов с похожими названиями, каждый блок файлов относится к отдельному объекту, например: file_1_1.txt file_1_2.txt file_1_3.txt file_1_4.txt fil…

Здравствуйте. Мне нужно обработать большое количество файлов с похожими названиями, каждый блок файлов относится к отдельному объекту, например: file_1_1.txt file_1_2.txt file_1_3.txt file_1_4.txt fil…

2 Ответа

• чтение

22.07.2022

• вопрос
• 17.07.2022

Математика и статистика, Цифровая обработка сигналов

Уважаемые коллеги, добрый вечер! В общем, возникла проблема следующего характера. Имеется сигнал, достаточно большой объем точек, длительность порядка 35-40 секунд. Он представлят собой последовательн…

Уважаемые коллеги, добрый вечер! В общем, возникла проблема следующего характера. Имеется сигнал, достаточно большой объем точек, длительность порядка 35-40 секунд. Он представлят собой последовательн…

• MATLAB
• Signal Processing

17.07.2022

Интегральные микросхемы — Студопедия

Поделись  

Транзисторы и другие полупроводниковые уст­ройства благодаря их малым размерам и энергопотреблению сделали возможным уменьшение разме­ров электронных цепей. Следующим шагом в ми­ниатюризации электронных устройств стали интег­ральные микросхемы, содержащие целые цепи. Целью разработки интегральных микросхем явля­ется получение устройства, выполняющего опреде­ленную функцию (например, усиление или переклю­чение) и устраняющего разрыв между отдельными компонентами и цепями.

Интегральная микросхема (ИС) — это закончен­ная электронная цепь в корпусе, не большем, чем стандартный маломощный транзистор. Цепь состо­ит из диодов, транзисторов, резисторов и конденса­торов. ИС производятся по такой же технологии и из таких же материалов, которые используются при производстве транзисторов и других полупроводни­ковых устройств.

Наиболее очевидным преимуществом ИС являет­ся ее малый размер. Она состоит из кристалла по­лупроводникового материала, размером примерно в один квадратный сантиметр. Благодаря малым раз­мерам ИС находят широкое применение в военных и космических программах. Использование ИС пре­вратило калькулятор из настольного в ручной инст­румент, а компьютерные системы, которые раньше занимали целые комнаты, превратились в портатив­ные модели.

Вследствие малых размеров ИС потребляют мень­шую мощность и работают с более высокой скорос­тью, чем стандартные транзисторные цепи, так как благодаря прямой связи внутренних компонент уменьшается время перемещения электронов.

ИС более надежны, чем непосредственно связан­ные транзисторные цепи, поскольку в них все внут­ренние компоненты соединены непрерывно. Все эти компоненты сформированы одновременно, что

уменьшает вероятность ошибки. После того как ИС сформирована, она проходит предварительное тес­тирование перед окончательной сборкой.

Производство многих типов ИС унифицировано, что приводит к существенному снижению их сто­имости. Производители предлагают полные и стан­дартные линии микросхем.

ИС уменьшают количество деталей, необходимых для конструирования электронного оборудования. Это уменьшает накладные расходы производителя, что в дальнейшем снижает цену электронного обо­рудования.

ИС имеют также некоторые недостатки. Они не могут работать при больших значениях токов и на­пряжений. Большие токи создают избыточное теп­ло, повреждающее устройство. Высокие напряже­ния пробивают изоляцию между различными внут­ренними компонентами. Большинство ИС являют­ся маломощными устройствами, питающимися на­пряжением от 5 до 15 В и потребляющими ток, из­меряющийся миллиамперами. Это приводит к по­треблению мощности, меньшей, чем 1 Вт.

ИС содержат компоненты только четырех типов: диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Ди­оды и транзисторы — самые легкие для изготовле­ния компоненты и самые миниатюрные. Резисторы более трудны в изготовлении, к тому же чем боль­ше сопротивление резистора, тем больше он по раз­мерам. Конденсаторы занимают больше места, чем резисторы, и также увеличиваются в размере по мере увеличения емкости.

ИС не могут быть отремонтированы. Это обуслов­лено тем, что внутренние компоненты не могут быть отделены друг от друга. Следовательно, проблема решается заменой микросхемы, а не заменой отдель­ных компонентов. Преимущество этого «недостатка» состоит в том, что он сильно упрощает эксплуа­тацию систем высокой сложности и уменьшает вре­мя, необходимое персоналу для сервисного обслу­живания оборудования.

Если все факторы собрать вместе, то преимуще­ства перевесят недостатки. ИС уменьшают разме­ры, вес и стоимость электронного оборудования, од­новременно увеличивая его надежность. По мере ус­ложнения микросхем они стали способны выпол­нять более широкий круг операций.

ИС классифицируются согласно способу их изго­товления. Наиболее широко используются следую­щие способы изготовления: монолитный, тонкопле­ночный, толстопленочный и гибридный.

Монолитные ИС изготавливаются так же, как и транзисторы, но включают несколько дополнитель­ных шагов. Изготовление ИС начинается с круглой кремниевой пластины диаметром 8-10 см и около 0,25 мм толщиной. Эта пластина служит основой (подложкой), на которой формируется ИС. На од­ной подложке одновременно формируется до не­скольких сотен ИС. Обычно все микросхемы на под­ложке одинаковы.

После изготовления ИС тестируются прямо на подложке. После тестирования подложка разреза­ется на отдельные чипы. Каждый чип представляет собой одну ИС, содержащую все компоненты и со­единения между ними. Каждый чип, который про­ходит тест контроля качества, монтируется в кор­пус. Несмотря на то, что одновременно изготовля­ется большое количество ИС, далеко не все из них оказываются пригодными для использования. Эф­фективность производства характеризуют таким параметром, как выход. Выход — максимальное чис­ло пригодных ИС по сравнению с полным числом изготовленных.

Тонкопленочные ИС формируются на поверхнос­ти изолирующей подложки из стекла или керами­ки, обычно размером около 5 см². Компоненты (ре­зисторы и конденсаторы) формируются с помощью очень тонких пленок металлов и окислов, наноси­мых на подложку. После этого наносятся тонкие полоски металла для соединения компонентов. Ди­оды и транзисторы формируются как отдельные полупроводниковые устройства и подсоединяются в соответствующих местах. Резисторы формируются нанесением тантала или нихрома на поверхность подложки в виде тонкой пленки толщиной 0,0025 мм. Величина резистора определяется длиной, ши­риной и толщиной каждой полоски. Проводники формируются из металла с низким сопротивлени­ем, такого как золото, платина или алюминий. С помощью этого процесса можно создать резистор с точностью ±0,1%.

Тонкопленочные конденсаторы состоят из двух тонких слоев металла, разделенных тонким слоем диэлектрика. Металлический слой нанесен на под­ложку. После этого на металл наносится слой окис­ла, образуя диэлектрическую прокладку конденса­тора. Она формируется обычно такими изолирую­щими материалами, как окись тантала, окись крем­ния или окись алюминия. Верхняя часть конденса­тора создается из золота, тантала или платины, на­несенных на диэлектрик. Полученное значение ем­кости конденсатора зависит от площади электродов, а также от толщины и типа диэлектрика.

Чипы диодов и транзисторов формируются с по­мощью монолитной техники и устанавливаются на подложке. После этого они электрически соединя­ются с тонкопленочной цепью с помощью очень тон­ких проводников.

Материалы, используемые для компонентов и про­водников, наносятся на подложку методом испаре­ния в вакууме или методом напыления. В процессе испарения в вакууме материал достигает предвари­тельно нагретой подложки, помещенной в вакуум, и конденсируются на ней, образуя тонкую пленку.

Процесс напыления происходит в газонаполнен­ной камере при высоком напряжении. Высокое на­пряжение ионизирует газ, и материал, который дол­жен быть напылен, бомбардируется ионами. Ионы выбивают атомы из напыляемого материала, кото­рые затем дрейфуют по направлению к подложке, где и осаждаются в виде тонкой пленки. Для осаж­дения пленки нужной формы и в нужном месте ис­пользуется маска. Другой метод состоит в покры­тии всей подложки полностью и вырезании или вытравливании ненужных участков.

При толстопленочном методе резисторы, конден­саторы и проводники формируются на подложке методом трафаретной печати: над подложкой раз­мещается экран из тонкой проволоки, и металлизи­рованные чернила делают сквозь него отпечаток. Экран действует как маска. Подложка и чернила пос­ле того нагреваются до температуры свыше 600 «С для затвердевания чернил.

Толстопленочные конденсаторы имеют неболь­шие значения емкости (порядка нескольких пФ). В тех случаях, когда требуются более высокие зна­чения емкости, используются дискретные конден­саторы. Толстопленочные компоненты имеют тол­щину 0,025 мм. Толстопленочные компоненты по­хожи на соответствующие дискретные компоненты.

Гибридные ИС формируются с использованием монолитных, тонкопленочных, толстопленочных и дискретных компонентов. Это позволяет получать цепи высокой степени сложности, используя монолитные цепи, и в то же самое время использовать преимущества высокой точности и малых допусков, которые дает пленочная техника. Дискретные ком­поненты используются потому, что они могут рабо­тать при относительно высокой мощности.

ИС упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других загрязнений. Наиболее популярным является корпус с двухряд­ным расположением выводов (DIP). Он производит­ся нескольких размеров для того, чтобы соответство­вать различным размерам ИС: микросхемам малой и средней степени интеграции, микросхемам боль­шой степени интеграции (БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (СБИС). Корпуса изго­товляются либо из керамики, либо из пластмассы. Пластмассовые корпуса дешевле и пригодны для большинства применений при рабочей температуре от О °С до 70 °С. Микросхемы в керамических кор­пусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Кроме того, они работают в более широком диапазоне температур (от -55 «С до -125 ‘С). Микросхемы в керамических корпусах ре­комендуются для использования в военной и аэро­космической технике, а также в некоторых отрас­лях промышленности.

Маленький 8-выводный корпус типа DIP исполь­зуется для устройств с минимальным количеством входов и выходов. В нем располагаются главным образом монолитные интегральные микросхемы.

Плоские корпуса меньше и тоньше, чем корпуса типа DIP, и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из ме­талла или керамики и работают в диапазоне темпе­ратур от -55 ‘С до +125 ‘С.

После того как интегральная микросхема заклю­чена в корпус, ее тестируют, чтобы проверить, удовлетворяет ли она всем требуемым параметрам. Тес­тирование проводится в широком диапазоне темпе­ратур.



Как вообще делают микрочипы?

(Изображение предоставлено Intel)

Современные ПК состоят из набора семи основных компонентов: ЦП, ГП, ОЗУ, хранилища, материнской платы, корпуса и блока питания. Каждый из них — да, даже корпус — теперь содержит от нескольких микрочипов до потенциально сотен микросхем, которые выполняют самые разные задачи. Аудио, связь, графика, память и, конечно же, ЦП, он же центральный процессор. Основным строительным блоком наших современных компьютеров является кремниевый микрочип, но что такое микрочип и как он сделан? Это увлекательная и невероятно сложная тема, и на этой неделе в рамках Tech Talk я представлю ее максимально сжатую версию.

Микрочипы, микропроцессоры, процессоры, графические процессоры или как бы вы их ни называли, в основе своей схожи. Все они сделаны из полупроводников, как правило, на кремниевых пластинах диаметром 300 мм, которые, в свою очередь, вырезаны из большого кремниевого кристаллического цилиндра. С этих кремниевых цилиндров все и начинается, и они выращены из затравочного кристалла, погруженного в расплавленный чан с почти чистым кремнием. Однако это «почти» важно, так как небольшие примеси в пластинах могут привести к ошибкам или неработоспособности деталей.

Благодаря микроскопическим особенностям даже маленькая частица может иметь большое значение. Задумайтесь на мгновение о термине нанометр. Человеческий волос имеет толщину от 20 до 180 микрометров, или, другими словами, от 20 000 до 180 000 нанометров. Тем временем размер элемента на последних процессорах AMD и Intel составляет от 7 до 70 нм (в зависимости от того, о какой конкретной функции мы говорим). Размер даже крошечной пылинки составляет 2000–5000 нм, поэтому все производство процессоров осуществляется в чистых помещениях. Но даже в этом случае некоторые частицы могут просочиться через фильтры.

(Изображение предоставлено Intel)

Однако пыль и другие загрязнения — не единственная проблема. Кристаллическая структура кремниевой пластины также незначительно различается. Предполагается, что это идеальная кристаллическая решетка, но в процессе выращивания появляются некоторые неровности. Чипы из центра пластины, как правило, «лучше», чем те, что ближе к краю, что означает меньшее количество неравномерностей, которые могут повлиять на такие вещи, как напряжение, необходимое для достижения определенной тактовой частоты.

Из-за изменчивости и потенциальных дефектов, вместо того, чтобы одна неисправная схема разрушила весь чип, современные микрочипы, особенно центральные и графические процессоры, имеют встроенную избыточность. Это позволяет отключать части чипа, от нескольких до сотен секций, которые можно включать и выключать по мере необходимости. Работающий чип, даже если он медленнее или ему не хватает нескольких дополнительных функций, лучше, чем его полное отсутствие. 92. Во всех моделях 3600/3600X и 3900X используются ПЗС-матрицы только с шестью задействованными ядрами, а в моделях 3700X/3800X и 3950X используются ПЗС-матрицы с включенными всеми восемью ядрами. Почему AMD намеренно отключила два ядра ЦП в каждой ПЗС-матрице на некоторых частях? Для повышения выхода щепы и общей прибыльности.

(Изображение предоставлено TSMC)

Каждая кремниевая пластина может содержать сотни чипов, но не каждый чип из пластины ведет себя одинаково. После начального производственного процесса каждая пластина разрезается на отдельные чипы. Эти чипы затем тестируются, чтобы определить, насколько хорош каждый из них в процессе, называемом биннингом. Некоторые могут работать идеально, другие могут быть фактически бесполезными (слишком много плохих мест), в то время как многие будут находиться где-то посередине между этими крайностями.

Процент исправных чипов является выходом. Большинство компаний не будут напрямую сообщать о производительности своих чипов, хотя слухи и оценки предполагают, что 10-нм техпроцесс Intel первого поколения (для прерванных процессоров Cannon Lake, не говоря уже о Core i3-8121U) имел производительность в однозначных цифрах. Другими словами, менее 10 процентов потенциальных 10-нанометровых процессоров оказались жизнеспособными — и это после того, как в Intel отключила графику Gen10 и с небольшим двухъядерным кристаллом! Напротив, по оценкам, при сборе частично функционирующих кристаллов выход новых компонентов AMD Zen 2 может составить 85 процентов или выше. 92, 10-ядерный Skylake-X может потерять до трети потенциальных чипов (без сбора урожая), в то время как у Zen 2 CCD будет всего около 8 процентов дефектных чипов.

Покойся с миром, Кэннон Лейк. (Изображение предоставлено Intel)

Биннинг затрагивает несколько аспектов чипа. Во-первых, это сбор частично функционирующих кристаллов, поэтому RTX 2060, использующая тот же графический процессор TU106, что и 2070, имеет только 30 из потенциальных 36 включенных SM, а также два отключенных контроллера памяти. Биннинг также определяет идеальное напряжение и частоту, и иногда чип, который в остальном полностью функционален, может быть понижен просто потому, что он не может работать с желаемой скоростью. AMD RX 5700 и RX 5700 XT используют один и тот же графический процессор Navi 10, но, помимо того, что у него на 256 ядер меньше, тактовая частота 5700 примерно на 150-200 МГц ниже. И наоборот, RX 5700 XT 50th Anniversary Edition получает чип с более высокой частотой, который увеличивает базовую и повышающую тактовую частоту на 75 МГц.

Короче говоря, лучшие чипы продаются как самые быстрые и самые дорогие детали. Между тем, функциональные, но, возможно, не такие хорошие чипы продаются как детали более низкого уровня. В зависимости от того, насколько интенсивным и точным является процесс биннинга, разрыв между «лучшими» и «худшими» функциональными чипами пластины может быть относительно небольшим. Устоявшийся технологический узел, такой как 12/16-нм TSMC или 14-нм++ Intel, обычно дает очень хорошие результаты и относительно схожие рабочие характеристики. Более новые производственные узлы, такие как 7-нм TSMC или будущие 10-нм Intel (второй раунд), тем временем, как правило, имеют больший разрыв между «хорошими» и «посредственными» деталями.

Я немного говорил об этом в обзоре Radeon RX 5700, но, как правило, все вышеперечисленное означает, что вы не получите одинаковые тактовые частоты на продуктах второго или третьего уровня, как бы вы ни старались разогнаться. Это то, что я видел и в процессорах. Мой образец Intel Core i9-9900K работает на частоте 5,1 ГГц на всех ядрах (при достаточном охлаждении) или 5,0 ГГц со скромным решением для жидкостного охлаждения. Тем временем образцы i7-9700K и i5-9600K достигают максимальной частоты 4,9 ГГц. Конечно, это всего лишь 100 МГц, но это разница в 150 долларов для того же чипа. Процессоры AMD Ryzen демонстрируют аналогичное поведение с 3900X может работать на немного более высоких тактовых частотах, чем 3700X и 3600X.

(Изображение предоставлено AMD)

Однако есть одна загвоздка. Иногда вам может повезти, и вы выиграете в кремниевой лотерее с отличным чипом, продаваемым как часть второго уровня. После сортировки и сбора щепы иногда у компании просто будет слишком много «хорошей» щепы и недостаточно «меньшей» щепы. Поскольку разница в производительности между компонентами первого и второго уровня может составлять всего 5-10 процентов, а разница в цене может составлять 20 процентов и более, клиенты обычно покупают больше менее дорогих чипов. Если «плохих» чипов не хватает, некоторые детали более высокого качества теряют свой класс и продаются как менее дорогие.

В прошлом иногда можно было отменить переход на более раннюю версию — у AMD были 2-ядерные и 3-ядерные процессоры в прошлом, и вы потенциально могли превратить их в работающую 4-ядерную часть, если вам повезет. Как правило, это больше невозможно, так как дополнительные ядра на процессорах и графических процессорах отключены таким образом, что их нельзя снова включить, но вам все равно может повезти с частью, которая лучше разгоняется. Есть даже компании, которые проводят предварительное тестирование процессоров и продают «специальные» чипы по более высокой цене, эффективно устраняя лотерею за определенную плату.

Если все, что вам нужно, это работающий компьютер, вам, вероятно, не нужно знать ничего из вышеперечисленного. Вы получаете то, за что заплатили, и тот факт, что у вашего процессора могут быть отключены два ядра, не имеет большого значения. С другой стороны, для энтузиастов ПК это может помочь определить, какие детали нужно купить, чтобы собрать идеальную установку, и почему некоторые части разгоняются лучше, чем другие. Это также помогает объяснить, почему более крупные процессоры и графические процессоры так чертовски дороги. Да, Nvidia получает гораздо больше дохода от RTX 2080 Ti, чем от RTX 2060, но создание 2080 Ti легко обходится более чем в два раза дороже.

Любовь Джарреда к компьютерам восходит к темным векам, когда его отец принес домой компьютер с DOS 2.3, а свой C-64 оставил дома. В конце концов, в 1990 году он собрал свой первый нестандартный ПК с частотой 286 12 МГц, но обнаружил, что он уже безнадежно устарел, когда несколько месяцев спустя был выпущен Wing Commander. Он имеет степень бакалавра компьютерных наук Университета Бригама Янга и работает техническим журналистом с 2004 года, пишу для AnandTech, Maximum PC и PC Gamer. От первых «3D-замедлителей» S3 Virge до современных графических процессоров — Джарред следит за всеми последними графическими тенденциями и всегда задает вопросы о производительности игр.

Из чего сделаны компьютерные чипы? Все, что нужно знать

Компьютерные чипы являются технологическим ядром современной электроники и гаджетов, которые можно использовать в самых разных областях: от смартфона до автомобиля и микроволновой печи. Но из чего сделаны компьютерные чипы? Это не так просто, как кремний — они на самом деле состоят из множества различных материалов, от чистого кремния до других полупроводников, металлических проводов и многого другого. В этой статье мы рассмотрим основы компьютерных чипов, начиная с того, из чего они сделаны и как они работают.

Из чего сделаны компьютерные чипы?

Эти крошечные аппаратные части отвечают за питание наших компьютеров, и они сделаны из довольно интересных материалов. Компьютерные чипы состоят из кремния и пластика, а металлические провода, используемые для создания слоев схем, сделаны из меди или алюминия. Кремний получают либо из кварцевого песка, либо из кварца.

Микроскопические части чипа должны быть расположены близко друг к другу, чтобы электричество могло течь от одной части к другой. Кремний — природный полупроводник. Он проводит электричество при определенных условиях и иногда действует как изолятор. Добавление примесей к кремнию может изменить его электрические свойства. Этот процесс известен как легирование. Эти свойства делают его отличным материалом для изготовления транзисторов — простых устройств, усиливающих электрические сигналы. Транзисторы также могут функционировать как переключатели, которые представляют собой устройства включения/выключения, которые можно использовать вместе для представления логических операторов «и», «или» и «не». другому.

Поскольку на микросхеме нет пустого места, между металлическими компонентами требуется изоляция, чтобы избежать короткого замыкания. Диоксид кремния часто используется в качестве изолятора в этих случаях. Медь на самом деле не нужна для создания работающего компьютерного чипа, но она помогает снизить сопротивление и позволяет электронам двигаться быстрее. Он также хорошо работает с кремнием, потому что он имеет схожие с ним свойства. Хотя многие считают, что все современные чипы производятся с использованием лазеров, это не всегда так. Многие до сих пор используют технологию фотолитографии, разработанную еще в 19 веке.58.

Компьютерные микросхемы производятся в условиях «чистой комнаты» с соблюдением всех мер предосторожности во избежание загрязнения.

Как производятся компьютерные чипы?

Чипы производятся на многомиллиардных заводах, известных как фабрики. Песок плавится и очищается на фабриках для создания слитков монокристаллического кремния чистотой 99,9999%. Слитки распиливаются на пластины толщиной в десять центов и диаметром в несколько дюймов. Пластины очищаются и полируются перед использованием для изготовления нескольких чипов. Эти и последующие этапы выполняются в среде «чистого помещения», где принимаются строгие меры предосторожности во избежание загрязнения пылью и другими посторонними веществами. На поверхности кремниевой пластины выращивается или осаждается непроводящий слой диоксида кремния, который покрывается светочувствительным химическим веществом, известным как фоторезист.

Фоторезист затвердевает под воздействием ультрафиолетового света, который проходит через узорчатую пластину или «маску». Затем горячие газы вытравливают открытые участки, обнажая основу из диоксида кремния. Основание и слой кремния под ним протравлены на разную глубину. Этот процесс фотолитографии затвердевает фоторезист, оставляя на чипе трехмерный ландшафт, который повторяет дизайн схемы, воплощенный в маске. Легирование определенных частей чипа химическими веществами под воздействием тепла и давления также может изменить их электропроводность. Фотолитографию с различными масками с последующим дополнительным травлением и легированием можно повторять сотни раз для одного и того же чипа, в результате чего на каждом этапе получается более сложная интегральная схема.

Чтобы создать проводящие пути между протравленными компонентами, весь чип покрывается тонким слоем металла (обычно алюминием) и повторяется процесс литографии и травления, чтобы удалить все, кроме тонких проводящих путей. Иногда укладывают несколько слоев проводников, разделенных стеклянными изоляторами. Каждый чип на пластине проверяется на надлежащую производительность, прежде чем он будет отпилен от других чипов на пластине. Плохие микросхемы маркируются и выбрасываются, а хорошие микросхемы помещаются во вспомогательные пакеты, которые позволяют вставлять их в печатные платы.

Другие материалы, используемые для изготовления компьютерных микросхем

Материалы и процессы, используемые для изготовления компьютерных микросхем, со временем изменились. В прошлом компьютерные чипы изготавливались из кремния, кристаллического материала. Сегодня большинство производителей чипов используют другие материалы, чтобы сделать свою продукцию более энергоэффективной и экономичной. Некоторые из них включают:

Компьютерные чипы из углеродных нанотрубок

В 2019 году исследователи сосредоточили внимание на углеродных нанотрубках для изготовления компьютерных микрочипов, поскольку они обеспечивают значительную экономию энергии. Углеродные нанотрубки почти такие же тонкие, как атом. Они также очень хорошо переносят электрические заряды.

В результате они производят лучшие полупроводниковые транзисторы, чем кремниевые. С точки зрения скорости обработки электроника из углеродных нанотрубок теоретически может быть в три раза быстрее, чем кремниевые компьютерные чипы. Они также будут потреблять примерно одну треть энергии, потребляемой кремниевыми процессорами.

Наномагнитные компьютерные микросхемы

Наномагнитные компьютерные микросхемы — это новый тип технологии, которую можно использовать для вычислений. Эти чипы используют тысячи крошечных магнитов для хранения данных, которые считываются микропроцессорами. Основным преимуществом наномагнитных компьютерных чипов является их меньший размер и меньшее энергопотребление по сравнению с другими типами компьютеров. Ожидается, что в ближайшем будущем компьютерные чипы на основе наномагнитов заменят компьютерные чипы на основе кремния.

Наномагнитная логика работает аналогично полупроводникам на основе кремния в том смысле, что уровни намагниченности переключаются вместо включения и выключения транзисторов для генерации двоичных данных. Эти бинарные данные можно интерпретировать с помощью диполь-дипольных связей (соединения между северным и южным полюсами каждого магнита).

Также было показано, что наномагнитные чипы более устойчивы, чем другие типы устройств хранения, к воздействию экстремальных температур или радиации; эти качества делают их идеальными для использования в миссиях по исследованию космоса, где могут отсутствовать какие-либо доступные источники питания, доступные в течение длительного времени без возможности аварийного переключения. Помимо материалов, упомянутых выше, исследуются тонкопленочные микрочипы на основе цеолита из-за их низкой диэлектрической проницаемости и превосходной эффективности.

Электроник держит микрочип пинцетом во время сборки печатной платы.

Что мы можем ожидать в будущем технологии производства микросхем?

Спрос на компьютерные чипы будет только расти, поскольку мы все больше и больше полагаемся на технологии. Итак, что мы можем ожидать в будущем технологии производства чипов? Одна вещь, которую предсказывают многие эксперты, заключается в том, что трехмерная или трехмерная печать заменит современные методы литографии. Идея этой новой технологии заключается в том, что она сможет производить чипы с гораздо более высокой точностью, точностью и сложностью, чем когда-либо прежде.

Еще одно новшество, которое, по прогнозам некоторых экспертов, появится вскоре после 3D-печати, называется квантовыми вычислениями. Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения таких задач, как решение сложных задач за считанные секунды, на которые у обычных компьютеров ушло бы целое десятилетие. Квантовые компьютеры работают, используя принцип, известный как суперпозиция, который, по сути, означает, что вместо хранения данных как 0 или 1, как это делает традиционный компьютер, квантовые компьютеры хранят данные как 0 и 1 одновременно, пока они не потребуются.

Нехватка кремниевых микросхем привела к увеличению стоимости компьютерных компонентов и электронных устройств, использующих компьютерные соединения. Возможно, в будущем мы сможем создавать квантовые компьютеры дешево и часто благодаря революционной технологии кремниевых компьютерных чипов.

Подход с использованием кремниевых компьютерных чипов может генерировать крупномасштабные конфигурации пронумерованных частиц, которыми можно манипулировать и наблюдать, чтобы изменять, связывать и считывать их квантовые состояния. Инженеры смогут создавать функции квантовой логики среди обширных массивов субатомных частиц, сохраняя при этом точные операции во всей системе.

Далее…

Продолжайте читать! Мы думаем, вам могут понравиться эти другие страницы о компьютерных чипах.

• https://history-computer.com/the-10-largest-chip-manufacturers-in-the-world-and-what-they-do
• https://history-computer.com/the- history-of-fairchild-semiconductor-a-complete-guide/
• https://history-computer.com/semiconductor-transistor/

Из чего сделаны компьютерные чипы? Все, что нужно знать Часто задаваемые вопросы (часто задаваемые вопросы)

Из чего в основном состоят компьютерные микросхемы?

Кремний является предпочтительным материалом в производстве чипов. В отличие от металлов, которые обычно используются для проведения электрического тока, кремний является полупроводником, а это означает, что его проводящие свойства можно улучшить, комбинируя его с другими материалами, такими как фосфор или бор.

В чем используются компьютерные микросхемы?

Компьютерный чип, также известный как чип, представляет собой интегральную схему или небольшую пластину из полупроводникового материала со встроенной интегральной схемой. Чипы — это блоки обработки и памяти современных цифровых компьютеров.

Как чип хранит данные?

Микросхема памяти представляет собой интегральную схему, состоящую из миллионов конденсаторов и транзисторов, которую можно использовать для хранения данных или кода обработки. Микросхемы памяти могут хранить данные либо временно в оперативной памяти (ОЗУ), либо постоянно в постоянной памяти (ПЗУ)

об авторе

Элизабет была внештатным писателем и редактором более 10 лет. Она начала свою карьеру, работая в Cisco Systems в качестве технического писателя, специализирующегося на электронных книгах, содержании веб-сайтов, технических документах и ​​практических руководствах по внутренним технологическим обновлениям. Она любит писать на самые разные темы, включая кибербезопасность, электромобили, видеоигры, научную фантастику, криптографию, историю технологий, виртуальную/дополненную реальность и персональные технологии. Когда она не пишет и не мечтает о кругосветном путешествии, она проводит время за чтением. С кофе. Много кофе.

Следите за мной в:

как сделать из кремниевых пластин компьютерные чипы

Как сделать компьютерный чип?

От начала до конца требуется около 1500 шагов для изготовления чипов кремниевых пластин.

Получите предложение БЫСТРО! Пожалуйста, присылайте нам свои вопросы!

Ваше имя:

Компания:

Ваш адрес электронной почты:

Ваше сообщение:

Как делать компьютерные микросхемы

Как производятся полупроводниковые пластины? Кремниевые пластины являются строительными блоками компьютерных микросхем и неотъемлемой частью многих современных устройств. Они полируются и очищаются перед тем, как подвергаться процессу, известному как фотолитография. Кремний покрывается слоем фоторезиста и подвергается воздействию УФ-световой маски для создания рисунка схем микропроцессора. При этом слой фоторезиста становится растворимым и вымывается растворителем. Затем экспонированный фоторезист штампуется на кремниевой пластине твердым материалом.

Во время этого процесса кремниевые пластины размечаются на небольшие прямоугольные области, которые будут служить отдельными чипами. Затем эти зоны подвергают легированию. Во время этого процесса кремний легируется различными металлическими соединениями и другими материалами, которые помогают чипу функционировать. На каждом чипе тысячи или даже миллионы компонентов. Затем чип тестируется, чтобы увидеть, насколько он мощный и как быстро он может обрабатывать данные.

Затем кремниевые пластины подвергаются химическому процессу, известному как напыление. Этот процесс включает нанесение легирующих компонентов на кремниевую пластину. Процесс напыления деликатный и должен выполняться в чистой комнате. Техники должны носить специальные костюмы, чтобы защитить себя от грязи и других частиц. Полученные чипы будут использоваться в ПК и других электронных устройствах.

Кристаллическая структура кремниевых пластин отличается. Кристаллическая решетка кремниевой пластины должна быть идеальной, но в процессе выращивания возникают небольшие неровности. Из-за этих неровностей чип выглядит хуже, чем он есть на самом деле. Самые эффективные чипы продаются в верхней части ценового диапазона. А чипы с наихудшими показателями продаются на более низком уровне.

ИС состоят из слоев. Каждый слой имеет толщину всего 0,005 мм. Процесс может занять до 30 слоев. Чтобы сделать чип для ПК, слои гравируются, чтобы создать узор из линий и геометрических фигур. Во время этого процесса протравленный кремний затем подвергается воздействию фоторезиста, а затем снова запекается. Следующим шагом в этом процессе является проявление фоторезиста.

Обычно процесс начинается с плавления слитков кремния. Затем кремниевые пластины очищают, чтобы обеспечить наилучшую поверхность для изготовления чипов для ПК. Как только кремний достаточно очищен, на поверхность кремниевой пластины наносится слой фоторезиста. Фоторезист становится растворимым и вымывается растворителем. После удаления фоторезиста на пластину наносится твердый рисунок.

Для изготовления чипа для ПК используется кремниевая пластина, представляющая собой кусочек очищенного кремния. Кремниевая пластина расположена в виде сетки. Процесс начинается с очистки кремния. Затем кремниевые слитки разрезают на кремниевые цилиндры. Затем они подвергаются легированию — процессу добавления в кремний специальных примесей.

Процесс производства полупроводников сложен. Интегральные схемы могут содержать сотни миллионов и даже миллиарды транзисторов. На микроскопическом уровне даже крупинка грязи может причинить вред. Следовательно, полупроводники производятся в чистых помещениях. Рабочие должны носить защитную одежду и носить шлюзы для фильтрации воздуха. Кристаллы чистого кремния выращивают и нарезают на тонкие пластины. Затем их разрезают и собирают в чипы для ПК.

В процессе создания чипа для ПК кремниевые пластины превращаются в различные компоненты. В зависимости от использования чипса рецепт чипса может меняться. Полупроводники изготовлены из кремниевой пластины со структурированными слоями различных материалов. Затем эти полупроводники изготавливаются путем фотолитографической печати в серии идентичных процессоров из одной кремниевой пластины.

С точки зрения непрофессионала, что такое полупроводник?

Думайте о полупроводнике как о чем-то, что может нагреваться и охлаждаться. Горячий при проведении электричества и холодный при изоляции от него. После углерода кремний (Si) является вторым наиболее распространенным материалом на Земле. А из пляжного песка делают кремниевую крошку.

Потребовались десятилетия, чтобы усовершенствовать процесс производства кремния с идеальной монокристаллической структурой. Они начинаются с плавления в печи поликремния-сырца. Поли нагревают до температуры более 1371 градуса Цельсия, чтобы очистить кремний от примесей.

Затем жидкий кремний вращается в одном направлении, в то время как зародыш кремния размером с ручку опускается в расплавленный кремний и вращается в противоположном направлении.

Почему два направления? Это снижает износ дорогостоящего оборудования. Кремнию все равно, как его крутить. Таким образом, двунаправленное вращение в тигле ускоряет создание слитка с меньшей нагрузкой на систему.

После охлаждения затравку кристалла кремния вытягивают из тигля с очень медленной скоростью около 90 мм в час.

Вес кристалла кремния зависит от диаметра слитка. Например, слиток кристалла кремния диаметром 200 мм весит около 440 фунтов.

Затем технические специалисты проверяют чистоту и ориентацию молекул. Затем его отправляют на распиловку проволокой. Оборудование выглядит как гигантская хлеборезка. Тонкие проволоки разрезали слиток на кремниевые пластины. Отходы, создаваемые проволочной пилой, называются пропилом. В настоящее время некоторые фирмы работают над созданием кремния, просто заливая расплавленный жидкий кремний в формы. Силикон без зазубрин позволил бы значительно сэкономить на расходах, поскольку кремний не тратится впустую! Фирма по производству солнечных элементов 1366, Inc. находится в авангарде этого исследования. Выращивание кремниевых пластин.

Разрезание проволоки на отдельные ломтики повреждает пластину. Затем используется еще несколько процедур, чтобы сгладить поверхность кремния до плоскостности, которую можно использовать в интегральных схемах (ИС).

Пыль является главной проблемой при производстве всех кремниевых схем. Так что в чистой комнате этому может позавидовать больничная операционная. Только 100 частиц на кубический фут воздуха разрешены в чистой комнате, где на пластинах выгравированы схемы. Одна пылинка может разрушить чип.

Десятилетия назад на микросхему мог поместиться только один транзистор. Сегодня это миллиарды!

Инженеры используют процесс фотолитографии для создания архитектуры чипа.

Процессы фотолитографии повторяются почти 50 раз, прежде чем чип будет готов к упаковке и отправке.

Как выглядит кремниевая пластина?

Впервые узнав о полупроводниках и кремнии, из которого они производятся, многие люди задаются вопросом, как выглядит кремниевая пластина. Кремний является предпочтительным материалом из-за его низкой стоимости по сравнению с другими монокристаллическими и составными материалами для транзисторов и 9Кремниевая пластина 0113, используемая в интегральных схемах (IC) из-за ее оптических и электрических свойств.

Кремний также может быть преобразован в пластины различной толщины, что позволяет интегрировать их в схемы. Различная толщина позволяет исследователям создавать различные полупроводниковые устройства по разным ценам.

Но можно с уверенностью сказать, что в настоящее время существует тенденция к более тонким, намного более тонким пластинам, которые составляют 1/100 толщины волос! Электрические и оптические свойства кремния делают его очень востребованным в качестве полупроводника. Пластины могут быть как стекло гладкими, полированными или шероховатыми на ощупь, так и нарезанными. Как изготавливаются кремниевые пластины?

Типичная кремниевая пластина , используемая в интегральной схеме до того, как подложка будет удалена из держателя пластины.

 

Как сделать компьютерный чип в домашних условиях

Смотрите процесс и попробуйте сами! Дайте нам знать, как вы это делаете!

Сколько чипов на пластине

Количество чипов, которые можно изготовить на поверхности кремниевой пластины, зависит, во-первых, от диаметра пластины, во-вторых, от размеров матрицы или чипа.

Что такое процессор с кремниевой пластиной?

В чем разница между процессором на кремниевой пластине и обычным чипом? Основное отличие заключается в потребляемой мощности. Полупроводник на основе нитрида кремния намного холоднее в эксплуатации и потребляет меньше энергии, чем стандартный чип. Однако размер и вес кремниевой пластины делают процессор намного больше обычного чипа. Пластине требуется много энергии для правильной работы, которая должна подаваться через кремниевую пластину и регуляторы напряжения.

Чем кремниевая пластина отличается от обычного чипа? Проще говоря, кремниевые пластины намного больше. По сравнению с традиционными чипами их площадь почти в 50 раз больше, чем у традиционных кремниевых чипов, а это означает, что в них больше места для вычислительных ядер и быстрой локальной памяти, но при этом они достаточно тонкие, чтобы обеспечить эффективную связь внутри кристалла. Использование пластины также дешевле, чем обычный процессор, что делает его более доступным.

Пластины обычно имеют диаметр 90 миллиметров. Это означает, что кремниевый чип, изготовленный из кремниевой пластины, будет стоить около двухсот долларов. Это должно быть изготовлено на заводе, что требует времени и терпения. Изготовленный чип будет сделан с использованием кремниевой пластины. Если чип из кремниевой пластины стоит более двухсот долларов, его создание обходится дороже.

Кремниевая пластина изготавливается путем вращения расплавленного кремния в тигле. Небольшой затравочный кристалл вводят и медленно извлекают до тех пор, пока не образуется большой кристалл. По завершении получается большая твердая кремниевая пластина весом в несколько сотен фунтов. Затем чип тестируют, чтобы убедиться в его чистоте. Затем его нарезают тонкими ломтиками, называемыми вафлями, и буферизуют для удаления примесей.

При изготовлении кремниевой пластины ее вращают в тигле. Небольшой затравочный кристалл вставляется и медленно вытягивается из расплавленного кремния. Затем большой кристалл кремния, который может весить несколько сотен фунтов, разрезают на тонкие пластины, называемые пластинами. После разрезания кремниевой пластины материал подвергается буферизации для удаления примесей.

Процессор из нитрида кремния представляет собой кремниевую пластину, основанную на кремниевой пластине. Эти чипы сделаны из одного нитрида кремния и имеют несколько транзисторов. Одна пластина может содержать до трех миллионов компонентов. Ватт мощности эквивалентен пяти гигаваттам мощности. Это мощное количество энергии.

Что такое микрочип?

Если вы не знакомы с термином «микрочип», вам может быть интересно, что это такое и как оно работает. Микрочипы изготавливаются слой за слоем на кремниевой пластине с использованием процесса, называемого фотолитографией. Свет, газы и химические вещества используются для создания слоев чипа. Затем пластину бомбардируют атомами, чтобы отрегулировать ее проводимость. Затем алюминиевая фольга используется для создания проводящих путей в пластине.

Первые микросхемы содержали один транзистор, три резистора и конденсатор. Современные полупроводниковые чипы могут содержать миллионы транзисторов. Эти чипы могут быть вставлены в биологические системы для выполнения различных функций. Микрочипы используются в механических сердцах и кардиостимуляторах для отслеживания времени. И хотя это может показаться не повседневным предметом, оно становится все более распространенным устройством в повседневной жизни. Эти чипы могут помочь людям с потерей слуха.

Многие владельцы домашних животных чипируют своих питомцев. Если животное потеряется, работники приюта для животных могут отсканировать животное на наличие чипа, который может предоставить контактную информацию для владельца. В случае, если ваш питомец потеряется, его не только смогут идентифицировать, но и узнать, где находится хозяин, тем самым спасая свою жизнь. Эта технология невероятно полезна, но есть некоторые вещи, которые вы должны знать, прежде чем инвестировать в нее.

Микрочип — это небольшой электронный чип, заключенный в стеклянный цилиндр. Он размером с рисовое зернышко. Он не содержит батареи. Когда радиоволновой сканер проходит над местом, куда он вставлен, радиоволны сканера активируют микрочип. После активации он отправляет свой идентификационный номер на сканер, который отображает номер на экране. Микрочип иногда называют транспондером. Этот имплантат болезненный и требует хирургического вмешательства.

 

Нехватка полупроводниковых чипов: как это повлияло на производство автомобилей?

Хотите знать, почему нехватка микрочипов оказывает большое влияние на производство автомобилей? Читай дальше что бы узнать.

В настоящее время во всем мире не хватает микрочипов, и это сказывается практически на всех отраслях.

Автомобильный сектор не является исключением, и производство автомобилей по всему миру сильно пострадало из-за отсутствия микрочипов. Но почему такой эффект? Читай дальше, чтобы узнать больше.

Что такое микрочип и зачем он нужен автомобилям?

Прямо сейчас вы смотрите на массив микрочипов. Каждое электронное устройство использует микрочипы как часть своей схемы, включая ваш мобильный телефон, компьютер, игровую приставку и, конечно же, ваш автомобиль.

Электронные устройства содержат множество этих маленьких микросхем для работы

Проще говоря, микрочипы упакованы в множество крошечных схем, чтобы все работало. Что касается автомобилей, то в наши дни они требуются практически для всего, включая информационно-развлекательную систему, цифровые дисплеи, камеры заднего вида и многое другое.

Найдите свой следующий автомобиль

Как делают микрочипы?

Микрочипы не производятся как обычные автомобильные детали — для них нужны специальные фабрики, которые являются сверхчистыми. Это означает отсутствие пыли и статического электричества.

Для производства микрочипов необходимы специализированные сверхчистые фабрики.

Это означает, что их изготовление занимает больше времени (и стоит дороже), чем производство большинства других автомобильных деталей. Достаточно сложно удовлетворить спрос в обычных условиях.

Почему автопроизводителям не хватает микрочипов?

С таким количеством продуктов, использующих микрочипы, даже малейшая задержка может иметь катастрофические последствия для производства электронных продуктов. Так уж получилось, что в последнее время было несколько небольших задержек, что привело к огромному количеству невыполненных заказов.

Ключевые причины задержек для производителей автомобилей включают:

Коронавирус

Эта пандемия, через которую мы все проходим, хотя мы, по крайней мере, думаем, что находимся в хвосте, затронула все аспекты повседневной жизни. Производство микрочипов не стало исключением.

Спрос на другую электронику, такую ​​как ультрапопулярная PlayStation 5, повлиял на предложение микрочипов

Когда в начале пандемии все перестали покупать автомобили, заказы на чипы у автопроизводителей резко упали. В то же время технологические фирмы скупали чипы слева, справа и в центре. К ним относятся производители телефонов и ноутбуков, и, возможно, в первую очередь Sony с ее бесконечным спросом на новую PlayStation 5.

Покупка автомобиля во время вспышки коронавируса

Когда автопроизводители были готовы наладить производство, они оказались в конце очереди за этими микрочипами. Заводам по производству микросхем требуется до шести месяцев, чтобы возобновить производство определенных типов микросхем, в результате чего автопроизводители сталкиваются с серьезными задержками в своей цепочке поставок.

Техасский шторм

Если воздействия вспышки коронавируса было недостаточно, чтобы замедлить распространение микрочипов, то в Техасе разразился шторм, который еще больше помешал этому.

США производят около 12% мировых поставок микрочипов, а в Техасе находится множество заводов

Около 12% микрочипов в мире производится в США, причем большая их часть поступает из Техаса. Однако в феврале 2021 года на него обрушился один из самых сильных штормов в истории штата, который привел к массовым отключениям электроэнергии.

Заводы по производству микросхем не были застрахованы от этого, в результате чего некоторые из них были закрыты. Это было настолько катастрофично, что один производитель, Infineon, рассчитал, что потребуются месяцы, чтобы вернуть производство в нормальное русло, поскольку каждый из его чипов, запланированных для производства в следующие 12 месяцев, уже зарезервирован.

Лучшие электрические внедорожники 2021

Пожар на японском заводе

Завод Renesas загорелся в марте, повредив 17 машин

Кроме того, в марте прошлого года загорелся завод Renesas в Японии. В общей сложности 17 машин фирмы были повреждены, что привело к дальнейшим задержкам.

Лучшие электромобили 2021 года

Как нехватка микрочипов повлияла на производство автомобилей?

Масштабы, в которых эта нехватка микрочипов повлияла на производство автомобилей во всем мире, просто поразительны.

Возьмем, к примеру, Mercedes, который был вынужден приостановить производство своего GLC как прямой результат, в то время как Mazda сократила производство на 7000 автомобилей в первом квартале 2021 года.

Mini временно приостановила производство на своем заводе в Оксфорде закрыть свой завод в Оксфорде, где на короткое время производятся 3-дверные и 5-дверные хэтчбеки. Недалеко от них в Jaguar Land Rover пришлось приостановить производство XE, XF и F-Type, а также Discovery Sport и Range Rover Evoque.

Это тоже не конец. Volkswagen Group временно закрыла завод, производящий Volkswagen Touareg, Porsche Cayenne, а также Audi Q7 и Q8.

В июне 2021 года Toyota сократила производство на двух своих японских заводах из-за нехватки микрочипов.

Hyundai, которая ранее накопила достаточно микрочипов, чтобы пережить первую волну дефицита, решила приостановить производство внедорожника Tucson и внедорожника с водородным двигателем Nexo на одном из своих заводов.

Владелец Peugeot Стеллантис произвел на 190 000 автомобилей меньше, чем планировалось, в первом квартале 2021 года

Возможно, больше всех пострадала компания от Stellantis — владельцев Fiat, Chrysler, Peugeot, Citroen и Vauxhall, среди прочих. Ему пришлось замедлить работу 8 из 44 заводов по всему миру, а это означает, что в первом квартале 2021 года было построено на 190 000 автомобилей меньше, чем ожидалось.

Не похоже, что нехватка микрочипов прекратится в ближайшее время, и почти наверняка не в 2022 году.

Сам Ford заявил, что ожидает, что производство 1 миллиона собственных автомобилей пострадает от нехватки.

Помогите мне выбрать следующую машину

Избранные изображения предоставлены Тайваньской компанией по производству полупроводников, Bosch, SiTimes Corp., Infineon, Renesas Electronics Corporation.

Как делают чипсы? – Магода – Производство Америка

Поскольку они используются в таком большом количестве оборудования, из которого состоит современная жизнь, многие люди задаются вопросом: как изготавливаются компьютерные чипы? В широком смысле микросхемы состоят из слоев кремниевой решетки. В зависимости от конструкции компьютерного чипа проводящие и изолирующие слои кремниевых решеток накладываются друг на друга, образуя множество транзисторов, которые контролируют потоки тока и напряжения в цепи. Производство микрочипа требует процесса проектирования и компоновки, в котором планируются миллиарды транзисторов, из которых будет создан микрочип.

 

После проектирования многие слои архитектуры микрочипа размещаются в 3D-модели. 3D-модель служит чертежом для фотошаблонов, которые будут использоваться в качестве шаблонов для изготовления чипов. Ряд сложного оборудования используется для создания всех слоев, которые будут состоять из микрочипа или полупроводника. Как только это будет завершено, чип инкапсулируется для создания компонента, который можно закрепить на печатной плате или другой электронной системе.

Как производятся полупроводники?

Полупроводники изготавливаются путем наложения десятков проводящих и изолирующих пленок на основу из кремниевых пластин. Это делается в соответствии с тщательно разработанной архитектурой, которая контролирует ток и напряжение внутри каждого микрочипа. Кремниевая пластина служит основой, в то время как микрочип создается посредством сложного процесса нанесения светочувствительного материала и экспонирования света, который выполняется с помощью литографической машины. В зависимости от дизайна и конечной функции чипа в этом процессе используются разные типы литографии. На этапе производства литографии сетка рисунка печатается на пластине.

Следующим шагом является запекание и проявление пластины, после чего остается узор из пустот для создания резиста полупроводника. На этапе разработки на чип вытравливается 3D-версия рисунка. После этого шага чип будет измерен и проверен на наличие ошибок. Дополнительная ионная имплантация также может применяться для настройки определенных свойств полупроводника.

Затем весь этот процесс повторяется, возможно, до 100 раз, в зависимости от сложности и конструкции полупроводника. После того, как все слои построены, полупроводник инкапсулируется и может быть встроен в печатную плату для конечного применения. Полупроводники могут выполнять множество функций в системе, в том числе более эффективно пропускать ток для использования в качестве усилителей напряжения, действовать как переключатели, реагирующие на тепло и свет, и влиять на сопротивление.

Авторы и права: Стив Юрветсон

Из чего сделаны микросхемы?

Производство микрочипов начинается с производства кремния, который представляет собой процесс отделения кислорода от частиц кремнезема для создания кремния. Это завершается химическим и термическим процессом. Затем кремний подвергается дальнейшей обработке для создания формы, которая называется буль или слиток. Силиконовые були изготавливаются в серии стандартных диаметров. Силиконовая буля разрезается на чрезвычайно тонкие слои. Каждый слой, называемый пластиной, обеспечивает основу для микрочипа, который также называется пластиной из-за его основы из кремниевой пластины. Кремний используется в процессе производства микрочипов, потому что его атомная структура способствует сочетанию электропроводности и изоляции.

 

Однако в своей монокристаллической форме и при комнатной температуре кремний не проводит электричество. Добавление так называемых примесных атомов, таких как бор и фосфор, интегрируется в решетку кремния посредством процесса, известного как легирование. Путем наслоения различных проводящих слоев решетки строятся многочисленные транзисторы, которые служат в качестве блоков управления на микрочипе. Из-за сложной архитектуры транзисторов микрочип может функционировать как микроконтроллер, полупроводник или другая очень сложная схема. Хотя микросхемы невероятно сложны, их можно сделать очень маленькими. Небольшие размеры и различные возможности позволяют использовать их во всех типах оборудования.

Производство микросхем и чистые помещения

Производство микросхем осуществляется на микроскопическом уровне. Микрочипы печатаются на чрезвычайно тонких слоях кремния, также известных как кремниевые пластины. В зависимости от сложности чипа этот процесс может включать в себя наслоение десятков идеально выровненных отпечатков микрочипов. Одна посторонняя частица, пылинка или колебания температуры или влажности могут нарушить процесс. Вот почему чипы производятся в производственной среде, называемой чистым помещением.

Чистые помещения поддерживаются мощными и современными системами вентиляции и циркуляции воздуха, которые обеспечивают контроль объема внутреннего воздуха и любых частиц в воздухе на микрометровом уровне. Весь персонал должен носить специальное снаряжение и проходить через специальный «воздушный шлюз», чтобы войти в чистую комнату и убедиться, что загрязнения не произошло.

Источники статей:

https://www.nbcnews.com

интегральная схема | Типы, использование и функция

интегральная схема

Посмотреть все медиа

Ключевые люди:

Роберт Нойс Джек Килби Моррис Чанг Роберт Х. Деннард

Похожие темы:

микропроцессор звуковая карта компьютерный чип видеокарта субстрат

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

интегральная схема (ИС) , также называемая микроэлектронная схема , микрочип или микросхема , сборка электронных компонентов, изготовленная как единое целое, в которой миниатюрные активные устройства (например, транзисторы и диоды) и пассивные устройства (например, конденсаторы и резисторы) и их соединения построены на тонкой подложке из полупроводникового материала (обычно кремния). Таким образом, результирующая схема представляет собой небольшой монолитный «чип», размер которого может составлять всего несколько квадратных сантиметров или всего несколько квадратных миллиметров. Отдельные компоненты схемы обычно имеют микроскопические размеры.

Интегральные схемы появились благодаря изобретению транзистора в 1947 году Уильямом Б. Шокли и его командой в Bell Laboratories Американской телефонной и телеграфной компании. Команда Шокли (включая Джона Бардина и Уолтера Х. Браттейна) обнаружила, что при определенных обстоятельствах электроны образуют барьер на поверхности некоторых кристаллов, и они научились контролировать поток электричества через кристалл, манипулируя этим барьером. Управление потоком электронов через кристалл позволило команде создать устройство, которое могло бы выполнять определенные электрические операции, такие как усиление сигнала, которые ранее выполнялись электронными лампами. Они назвали это устройство транзистором, от сочетания слов передача и резистор . Изучение методов создания электронных устройств с использованием твердых материалов стало называться твердотельной электроникой. Твердотельные устройства оказались намного прочнее, с ними проще работать, они надежнее, меньше и дешевле, чем электронные лампы. Используя те же принципы и материалы, инженеры вскоре научились создавать другие электрические компоненты, такие как резисторы и конденсаторы. Теперь, когда электрические устройства можно было сделать такими маленькими, самой большой частью схемы была неудобная проводка между устройствами.

Знать, как работает ICL 2966, мейнфрейм с интегральной схемой

Посмотреть все видео к этой статье

В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments, Inc. и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation независимо друг от друга придумали способ еще больше уменьшить размер схемы . Они прокладывали очень тонкие дорожки из металла (обычно из алюминия или меди) прямо на том же куске материала, что и их устройства. Эти маленькие дорожки действовали как провода. С помощью этого метода вся схема может быть «интегрирована» в единый кусок твердого материала и таким образом создана интегральная схема (ИС). ИС могут содержать сотни тысяч отдельных транзисторов на одном куске материала размером с горошину. Работать с таким количеством электронных ламп было бы нереально неудобно и дорого. Изобретение интегральной схемы сделало возможными технологии информационного века. В настоящее время интегральные схемы широко используются во всех сферах жизни, от автомобилей до тостеров и аттракционов в парках развлечений.

Базовые типы ИС

Аналоговые или линейные схемы обычно используют только несколько компонентов и, таким образом, являются одними из самых простых типов ИС. Как правило, аналоговые схемы подключаются к устройствам, которые собирают сигналы из окружающей среды или отправляют сигналы обратно в окружающую среду. Например, микрофон преобразует изменчивые звуки голоса в электрический сигнал переменного напряжения. Затем аналоговая схема модифицирует сигнал каким-либо полезным образом, например, усиливая его или фильтруя нежелательные шумы. Затем такой сигнал можно было бы подать обратно в громкоговоритель, который воспроизвел бы тоны, первоначально улавливаемые микрофоном. Другим типичным применением аналоговой схемы является управление некоторым устройством в ответ на постоянные изменения в окружающей среде. Например, датчик температуры посылает переменный сигнал на термостат, который можно запрограммировать на включение и выключение кондиционера, обогревателя или духовки, как только сигнал достигнет определенного значения.