Большая интегральная схема это: большая интегральная схема | это… Что такое большая интегральная схема?

Интегральная схема. Большая российская энциклопедия

Технические устройства

Области знаний:

Электронная промышленность и приборостроение

Другие наименования:

Микросхема; чип; кристалл

Интегра́льная схе́ма (микросхема, чип, кристалл), функционально законченное микроэлектронное изделие, представляющее собой совокупность электрически связанных между собой элементов (транзисторов и др.), сформированных в полупроводниковой (ПП) монокристаллической пластине. Интегральные схемы (ИС) являются элементной базой всех современных радиоэлектронных устройств, устройств вычислительной техники, информационных и телекоммуникационных систем.

Историческая справка

ИС изобретена в 1958 г. Дж. Килби (Нобелевская премия, 2000), который, не разделяя германиевую монокристаллическую пластину на отдельные сформированные в ней транзисторы, соединил их между собой тончайшими проволоками, так что полученное устройство стало законченной радиоэлектронной схемой. Спустя полгода американский 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 металлизированные участки (т. н. контактные площадки), а соединения между ними осуществлялись тонкоплёночными проводниками. В 1959 г. в США начался промышленный выпуск кремниевых ИС. Массовое производство ИС в СССР организовано в середине 1960-х гг. в г. Зеленоград под руководством К. А. Валиева.

Технология изготовления

Структура полупроводниковой ИС показана на рисунке.

Транзисторы и другие 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 электрическим сопротивлением. Этому требованию удовлетворяет, например, медь. Между слоями проводников размещаются изолирующие (диэлектрические) слои (SiO₂ и др.). На одной ПП пластине одновременно формируется до нескольких сотен ИС, после чего пластину разделяют на отдельные кристаллы (чипы).

Технологический цикл изготовления ИС включает несколько 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 технологическом цикле ФЛ повторяется несколько десятков раз. За каждой операцией ФЛ следуют операции изготовления деталей транзисторов, например, осаждение диэлектрических, ПП и металлических тонких плёнок, травление, легирование методом имплантации ионов в кремний и др. Фотолитография определяет минимальный размер (МР) отдельных деталей.

Главным инструментом ФЛ являются оптические проекционные степперы-сканеры, с помощью которых выполняется пошаговое (от чипа к чипу) экспонирование изображения (освещение чипа, на поверхность которого нанесён фоточувствительный 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 KrF (248 нм) и ArF (193 нм). Совершенствование оптической системы, применение фоторезистов с высокими контрастом и чувствительностью, а также специальной 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 г. преодолела рубеж 100 нм (МР) и стала нанотехнологией.

Направления развития

ИС разделяют на цифровые и аналоговые. Основную 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 г. степень интеграции цифровых ИС увеличивалась вдвое каждые 12 месяцев. Эта закономерность (на неё впервые обратил внимание американский учёный Г. Мур в 1965) получила название закона Мура. Позднее Мур уточнил свой закон: удвоение сложности схем памяти происходит через каждые 18 месяцев, а процессорных схем – через 24 месяца. 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 том числе 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 логического элемента. По мере уменьшения размеров уменьшались потребляемая мощность и энергия (произведение мощности на время переключения), затраченная на каждую операцию переключения. К 2005 г. быстродействие ИС улучшилось на 4 порядка и достигло долей наносекунды, число транзисторов на одном чипе составило до 100 млн штук.

Основную долю (до 90 %) в мировом производстве с 1980 г. составляют цифровые КМОП ИС. Преимущество таких схем заключается в том, что в любом из двух статических состояний («0» или «1») один из транзисторов закрыт и ток в цепи определяется током транзистора в выключенном состоянии I_выкл. Это означает, что, если I_выкл пренебрежимо мал, ток от источника питания потребляется только в режиме переключения, а потребляемая мощность пропорциональна частоте переключения и может быть оценена соотношением P_Σ≈C_Σ·N·f·U², где C_Σ – суммарная ёмкость нагрузки на выходе логического элемента, N – число логических 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 статическом режиме (определяется токами I_выкл и токами утечки). С уменьшением размеров транзисторов статическая мощность может стать сравнимой с динамической и достигать по порядку величины 1 кВт на 1 см² кристалла. Проблема большого энерговыделения вынуждает ограничивать максимальную частоту переключений высокопроизводительных КМОП ИС диапазоном 1–10 ГГц. Поэтому для увеличения производительности «систем-на-кристалле» используют дополнительно архитектурные (т. н. многоядерные процессоры) и алгоритмические 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 том числе низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) ИС. СВЧ ИС – схемы относительно небольшой степени интеграции, которые могут включать не только транзисторы, но и плёночные катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы. Для создания СВЧ ИС используется не только ставшая традиционной кремниевая технология, но и технология гетеропереходных ИС на твёрдых растворах Si–Ge, соединениях A^IIIB^V (например, арсениде и нитриде галлия, фосфиде индия) и др. Это позволяет достичь рабочих частот 10–20 ГГц для Si–Ge и 10–50 ГГц и выше для СВЧ ИС на соединениях A^IIIB^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 вычислительные устройства, системы контроля окружающей среды и средства общения с человеком.

А. А. Орликовский. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2008.

Дата публикации:  21 февраля 2023 г. в 09:59 (GMT+3)

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. К 2005 бы­ст­ро­дей­ст­вие ИС улуч­ши­лось на 4 по­ряд­ка и дос­тиг­ло до­лей на­но­се­кун­ды; чис­ло тран­зи­сто­ров на од­ном чи­пе со­ста­ви­ло до 100 млн. 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.

Самый большой чип в мире

Кремниевый чип, или интегральная схема (ИС), является одним из самых великолепных, сложных и революционных творений человечества.

Сама ИС представляет собой кремниевый сэндвич, состоящий из множества транзисторов (маленьких переключателей), соединенных вместе в электрические цепи. С момента совместного изобретения интегральной схемы Робертом Нойсом и Джеком Килби в 1958–1959 годах произошло неустанное улучшение плотности транзисторов. Вы могли видеть эти изменения в космических кораблях, авиации, средствах связи и, что наиболее очевидно для большинства из нас, в потребительских товарах того времени. Например, на заре ИС одним из первых продуктов был базовый четырехфункциональный 1973 Портативный калькулятор Sears/Bowmar. Шестьдесят лет спустя популярный потребительский продукт — это смартфон с голосовым управлением, подключенный к «мировому мозгу» Интернета — научная фантастика всего лишь поколение назад.

Больше и лучше

На это ушло много времени, но прогресс был устойчивым: с тех пор, как инженер-химик Fairchild Semiconductor Гордон Мур впервые написал об ИС в 1965 году, примерно каждые 18–24 месяца число транзисторов в интегральной схеме увеличивалось. удвоился. Основным процессом, который позволил это сделать, является фотолитография, которая, если разобрать ее греческое происхождение, означает «писать светом на камне». Рисунок 1 ниже показывает общую идею.

Источник: https://bits-chips. nl/artikel/euv-for-dummies/

Свет (часто ультрафиолетовый) пропускается через трафарет с узорами, которые проектировщики интегральных схем хотят выжечь на чипе. Для этого до и после применяются специальные химические вещества, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет построен сэндвич, состоящий из многих слоев, и ИС не будет закончена и готова к упаковке.

Самый большой в мире чип

Компьютерный дизайнер Гордон Белл однажды заметил, что получение максимально возможной скорости в компьютерах, полностью основанных на интегральных схемах, часто связано с «подготовкой и упаковкой». Поскольку интегральные схемы нагреваются тем сильнее, чем быстрее они работают, быстрые компьютеры должны заботиться о том, чтобы их чипы оставались прохладными. Мы можем видеть, что это ограничение повторяет это в наблюдении, что несколько патентов легендарного дизайнера суперкомпьютеров Сеймура Крея были связаны со способами поддержания прохлады его лучших в мире компьютерных систем. Для Крэя, который всегда раздвигал границы возможного, предотвращение возгорания системы было так же важно, как и проектирование быстрых схем.

Cerebras, хорошо финансируемый стартап из Силиконовой долины, разработал одно из самых гениальных и технически элегантных решений проблемы «впихивания» (перефразируя Гордона Мура) большего количества транзисторов в чип, сохраняя при этом его охлаждение. Как далеко можно зайти? Ответ поразителен: на огромном цельном квадратном куске кремния со стороной около 8,5 дюймов Cerebras Wafer-Scale Engine (WSE) имеет 2,6 триллиона транзисторов, что составляет 850 000 оптимизированных для ИИ процессоров. (Рисунок 2.) Размер транзистора в WSE составляет 7 нанометров. ДНК человека составляет 2,5 нанометра. В этом одном чипе Cerebras намного больше транзисторов, чем во всех 100 000 вычислительных объектов, вместе взятых в постоянной коллекции Музея.

Рисунок 2. Двигатель Cerebras Wafer-Scale Engine

Преимущество WSE в том, что его конструкция и производство в значительной степени соответствуют существующим отраслевым процессам и методам. Их уникальная гениальность заключалась в создании передовой экосистемы для жизни WSE, которая снабжала ее электроэнергией, охлаждением и связью.

Улучшение процесса

Чтобы осуществить это, Cerebras полагается не на какой-то экзотический новый метод или технологию, а на существующие процессы производства полупроводников, лишь слегка их модифицируя. (Например, 8,5 дюйма на боковой поверхности — это то, что остается, когда вы берете стандартную 300-миллиметровую пластину и разрезаете ее на квадрат).

Принимая во внимание эти аспекты — упаковку, охлаждение и плотность транзисторов — как выглядит этот удивительный чип в упакованном виде? (Рисунок 3) Сама WSE находится в центре и выглядит довольно деликатно среди довольно сложного оборудования. Эта окружающая технология, тем не менее, является ключом к функционированию WSE, поскольку она соединяет WSE с внешним миром через некоторые очень серьезные соединительные системы, прокачивает воду через охлаждающие пластины, к которым она прикасается, чтобы поддерживать ее прохладу (снова Белл и Крей), и обеспечивает потрясающий 20 кВт электроэнергии для питания этих триллионов транзисторов. Этого, кстати, достаточно для электроснабжения примерно пяти домов в США. Звучит много, но на самом деле это всего лишь несколько миллиардных долей ватта на транзистор. Это те инженерные проблемы, которые вам приходится решать, когда вы сжимаете стойки обычных компьютеров до одного чипа.

Масштабы, амбиции и производительность двигателя Cerebras Wafer-Scale Engine невозможно представить.

Рисунок 3: Покомпонентное изображение «блока двигателя» в основе системы Cerebras CS-2. Источник: Cerebras Systems.

Скорость, скорость, скорость

При всем этом внимании к массовой интеграции (поместить все на один гигантский чип и эффективно его упаковать) типичная система Cerebras составляет примерно 1/10 размера эквивалентной компьютерной системы, использующей «древние способы». соединения сотен тысяч микросхем на отдельных печатных платах, в отдельных шкафах, а затем соединения их вместе. Когда его спросили, почему он не одобряет использование нескольких небольших процессоров в своих суперкомпьютерах, легендарный компьютерный дизайнер Сеймур Крей язвительно заметил: «Что бы вы предпочли, чтобы тянули свой плуг? Один крупный бык или 64 курицы?»

Так для чего же используются эти триллионы транзисторов на ВФБ, интересно вам?

Убийственное приложение WSE для ИИ заключается в сокращении времени обучения нейронных сетей — сетей, которые делают ИИ «интеллектуальным». WSE может выполнить то, на что у других компьютеров уходят недели, и получить результаты за считанные минуты.

Результат такого гигантского сокращения времени обучения означает, что ответы на эксперименты с искусственным интеллектом могут быть получены в течение минут или часов, а не дней. Это ускоряет поиск лекарств, может моделировать потенциальные лекарства от рака, выполнять обработку изображений и работать в десятках новых приложений, основанных на искусственном интеллекте, которые понадобятся нашему миру для решения проблем будущего.

Поскольку со временем технологии, основанные на искусственном интеллекте, будут формировать большую часть мира, WSE — важная веха для коллекционирования, поэтому музей особенно рад представить образец этого удивительного устройства в своей коллекции. постоянная коллекция. WSE будет демонстрироваться в течение ограниченного времени рядом с главным вестибюлем CHM, начиная с 3 августа 2022 года. Пожалуйста, посетите и лично посмотрите на это редкое устройство. Вы будете поражены.

Основное изображение предоставлено Cerebras Systems

Dig Deeper

1. Виртуальный тур по продукту Cerebras CS-2: https://www.cerebras.net/cs2virtualtour
2. Сантехника и упаковка. Патенты Сеймура Крея: https://patents.justia.com/inventor/seymour-r-cray
3. Мур, Гордон, «Втиснуть больше компонентов в интегральные схемы», Electronics , том 38, номер 8, 19 апреля 1965 г.

ПОДДЕРЖКА МИССИИ CHM

Подобные блоги были бы невозможны без щедрой поддержки таких людей, как вы, которым глубоко небезразлична технология декодирования. Пожалуйста, подумайте о том, чтобы сделать пожертвование.

LSIC (крупномасштабная интегральная схема) Wiki

Классификация схем

Структура по функциям

В соответствии с их различными функциями и структурами интегральные схемы можно разделить на три категории: аналоговые интегральные схемы, цифровые интегральные схемы и цифровые/аналоговые гибридные интегральные схемы. [2] 

Аналоговые интегральные схемы, также известные как линейные схемы, используются для генерации, усиления и обработки различных аналоговых сигналов (имеется в виду сигналы, амплитуда которых изменяется во времени. Например, аудиосигналы полупроводниковых радиоприемников, магнитофонные сигналы записывающих устройств и т. д.), их входные сигналы и выходные сигналы пропорциональны. Цифровые интегральные схемы используются для формирования, усиления и обработки различных цифровых сигналов (имеются в виду сигналы с дискретными значениями по времени и амплитуде. Например, аудиосигналы и видеосигналы для воспроизведения VCD и DVD).

В зависимости от производственного процесса

Интегральные схемы можно разделить на полупроводниковые интегральные схемы и пленочные интегральные схемы в зависимости от производственного процесса.

Пленочные интегральные схемы подразделяются на толстопленочные интегральные схемы и тонкопленочные интегральные схемы.

В зависимости от уровня интеграции

Интегральные схемы можно разделить на мелкие интегральные схемы, средние интегральные схемы, крупные интегральные схемы, очень крупные интегральные схемы, сверхкрупномасштабные интегральные схемы и крупномасштабные интегральные схемы по уровню интеграции.

По типу проводимости

Интегральные схемы можно разделить на биполярные интегральные схемы и униполярные интегральные схемы в зависимости от их типа проводимости. Все они являются цифровыми интегральными схемами.

Процесс производства биполярных интегральных схем сложен, а потребляемая мощность велика, что означает, что интегральные схемы бывают TTL, ECL, HTL, LST-TL, STTL и других типов. Процесс производства униполярной интегральной схемы прост, энергопотребление также низкое, и можно легко изготовить крупномасштабную интегральную схему.

По применению

Интегральные схемы можно разделить на интегральные схемы для телевизоров, интегральные схемы для аудио, интегральные схемы для видеоплееров, интегральные схемы для видеомагнитофонов, интегральные схемы для компьютеров (микрокомпьютеров), интегральные схемы для электронных пианино, интегральные схемы для связи и интегральные схемы для камер Схемы, интегральные схемы дистанционного управления, языковые интегральные схемы, интегральные схемы для сигнализации и различные специальные интегральные схемы.

1. Интегральные схемы для телевизоров включают интегральные схемы строчной и полевой развертки, интегральные схемы промежуточного усилителя, интегральные схемы звука, интегральные схемы декодирования цвета, интегральные схемы преобразования AV/TV, интегральные схемы импульсного источника питания, интегральные схемы дистанционного управления и Liyin. интегральные схемы декодирования, интегральные схемы обработки «картинка в картинке», интегральные схемы микропроцессора (ЦП), интегральные схемы памяти и т. д.

2. Интегральная схема для аудио включает в себя схему AM/FM высокой ПЧ, схему декодирования стереозвука, схему предусилителя звука, интегральную схему операционного усилителя звука, интегральную схему усилителя мощности звука, интегральную схему обработки объемного звука, интегральную схему управления уровнем, электронную громкость. Интегральные схемы управления, интегральные схемы задержки реверберации, интегральные схемы электронных переключателей и т. д.

3. Интегральные схемы для проигрывателей DVD включают интегральные схемы системного управления, интегральные схемы кодирования видео, интегральные схемы декодирования MPEG, интегральные схемы обработки аудиосигналов, встроенные звуковые эффекты схемы, интегральные схемы обработки РЧ-сигналов, интегральные схемы цифровой обработки сигналов, интегральные схемы сервопривода, интегральные схемы электропривода и т. д.

4. Интегральные схемы для видеомагнитофонов включают интегральные схемы системного управления, интегральные схемы сервопривода, интегральные схемы привода, интегральные схемы обработки звука и интегральные схемы обработки видео.

По области применения

Интегральные схемы можно разделить на стандартные интегральные схемы общего назначения и интегральные схемы для конкретных приложений в соответствии с областями применения.

По форме

Интегральные схемы можно разделить на круглые (металло-транзисторный корпус, как правило, подходит для высокой мощности), плоские (хорошая стабильность, небольшой размер) и двухрядные в зависимости от формы.

Характеристики схемы

СБИС относится к интегральной схеме со степенью интеграции (количество компонентов, содержащихся в каждой микросхеме) более 10. Интегральная схема обычно изготавливается планарным способом на кремниевой пластине P-типа толщиной от 0,2 до 0,5 мм и площадью около 0,5 мм. На этом кремниевом чипе (подложке, называемой интегральной схемой) можно собрать схему, содержащую десять (или более) диодов, резисторы, конденсаторы и соединительные провода.

По сравнению с дискретными компонентами компоненты интегральных схем имеют следующие характеристики:

1. Точность отдельного компонента невысока, и на нее также сильно влияет температура, но производительность компонентов, изготовленных с использованием одного и того же процесса на одной и той же кремниевый чип последователен, симметрия хорошая, а разница температур между соседними компонентами небольшая, поэтому одинаковые температурные характеристики аналогичных компонентов в основном одинаковы;

2. Диапазон номиналов встроенных резисторов и конденсаторов узок, а резисторы и конденсаторы с большими номиналами занимают большую площадь кремниевого чипа. Интегральное сопротивление обычно находится в диапазоне от десятков Ом до десятков кОм, а емкость обычно составляет десятки пФ. Индуктивность пока не может быть интегрирована;

3. Абсолютная погрешность параметров производительности компонентов относительно велика, а соотношение параметров производительности аналогичных компонентов относительно точно;

4. Значение β продольной трубки NPN велико, она занимает небольшую площадь кремния и проста в изготовлении. Значение β боковой трубки PNP очень мало, но ее выдерживаемое напряжение PN-перехода высокое.

Конструктивные особенности

Из-за производственного процесса и характеристик компонентов аналоговые интегральные схемы сильно отличаются по схемотехнике от схем с дискретными компонентами.

1. Что касается используемых компонентов, используйте как можно больше транзисторов и меньше резисторов и конденсаторов;

2. В форме схемы используется большое количество цепей дифференциального усилителя и различных цепей источника постоянного тока, а для связи между каскадами используется режим прямой связи;

3. Максимально использовать принцип компенсации параметров для преобразования требований высокой точности одного компонента в требования одинаковой погрешности параметра для двух устройств; постарайтесь выбрать схему, на характеристики которой влияет только соотношение сопротивлений или другие параметры

China Development

«Внедрение и плавное продвижение сверхкрупномасштабного проекта по разработке интегральных схем заложили прочную основу для перехода Китая со второй по величине в мире страны-потребителя интегральных схем на позицию производителя интегральных схем в 2010 году. » «Сказал руководитель проекта 863 VLSI.

В отрасли есть четыре предложения, которые очень хорошо описывают роль интегральных схем. Это: ядро ​​​​электронных информационных продуктов и электронного оборудования национальной обороны, наиболее важное проявление основной конкурентоспособности. информационной индустрии, а также овладение информационными технологиями и инициатива развития отрасли.Краеугольным камнем достижения скачкообразного развития является необходимая техническая гарантия для независимого развития информационной индустрии и современной индустрии услуг и повышения их добавленной стоимости.

«Овладение ключевыми технологиями интегральных схем и программного обеспечения, а также осуществление индустриализации сыграют жизненно важную роль в реализации моей страной информатизации для стимулирования индустриализации и обеспечения национальной информационной безопасности». Ответственный сказал.

«Важный специальный проект по интегральным схемам и программному обеспечению» является одним из двенадцати крупных научно-технических проектов периода «десятой пятилетки» в моей стране. Министерство науки и технологий разработало три специальных проекта по проектированию сверхкрупномасштабных интегральных схем, 100-нм оборудованию для производства интегральных схем и вспомогательным материалам для интегральных схем в плане 863, а также по достижениям в области сверхкрупномасштабных интегральных схем. дизайн интегральных схем масштаба были особенно замечательны.

Цели

Полностью достичь ожидаемой цели

По словам ответственного лица, с момента реализации проекта СБИС был достигнут значительный прогресс в трех областях, а именно в развитии талантов, микропроцессорах и сетевых коммуникациях.

«Мы добились замечательных достижений в строительстве 7 + 1 национальных баз индустриализации дизайна ИС и 9 национальных баз обучения талантов ИС; с точки зрения дизайна микропроцессорного ЦП и DSP, «Zhongzhi» и «C-Core», «Loongson». и «Hanxin» добились глубокого развития от технологических прорывов до ключевого продвижения. Последним является разработка и применение системных чипов SoC в области сетевой связи, информационной безопасности, информационных устройств и т. д., «COMIP», «Huaxia Netcore» и «Starlight Multimedia» и другие чипы достигли ключевых прорывов в разработке. и приложение. Кроме того, построение четырех сервисных систем в MPW, IP-основном альянсе, инструментах EDA и международном сотрудничестве также постепенно улучшалось. В результате реализации не только отражается руководящая идеология создания проекта, но и в дополнение к работе альянса по продвижению ядерных приложений ИС необходимо дополнительно изучить, специальный проект полностью достиг стратегических целей и ожидаемых результатов проекта». — сказал ответственный.0003

Так как это очень наукоемкая отрасль, таланты являются ключом к развитию индустрии проектирования интегральных схем в моей стране. Специализированная крупномасштабная подготовка талантов сыграла важную роль в решении проблемы нехватки специалистов по интегральным схемам в моей стране. Ряд основных чипов с независимыми правами интеллектуальной собственности и группа компаний по разработке интегральных схем с основной технологической конкурентоспособностью появлялись одна за другой, закладывая прочную основу для окончательной индустриализации интегральных схем.

Отражайте национальную волю, собирайте первоклассные таланты, в полной мере используйте преимущества опоздавших, используйте редкую возможность реорганизации международной ИТ-промышленной структуры и продвигайте стратегически перспективную сверхкрупномасштабную технологию проектирования интегральных схем. и независимые инновации в отрасли и прыжок с высокой отправной точки. Это было первоначальным замыслом при реализации спецпроекта, и сейчас научно-исследовательский персонал спецгруппы практически выполнил эту задачу.

Оказать помощь

Оказать мощную поддержку развитию информационной индустрии

«В период «Десятой пятилетки» электронная информационная индустрия Китая поддерживала быстрое и непрерывное развитие, а разработка интегральных схем является ключевым стратегическим ядром технологии.Реализация этого специального проекта оказывает значительное влияние на развитие технологии интегральных схем и промышленности.Выходная стоимость отрасли проектирования интегральных схем от 500 миллионов юаней в 19с 99 до почти 15 миллиардов юаней в 2005 году, он играет все более важную роль в поддержке развития информационных технологий и промышленности Китая», — сказал ответственный человек.

В процессе специальной реализации было построено большое количество промышленных баз Строительство этих баз эффективно мобилизовало центральные и местные ресурсы для продвижения индустрии проектирования интегральных схем, создало индустрию проектирования интегральных схем на рынке, политике, средствах и талантах, создало атмосферу здорового развития в других аспектах, сформировало собрание таланты, технологии и предприятия, оказывая мощную поддержку развитию информационной индустрии Китая.