Txip

Txipa, zirkuitu integratua edo zirkuitu integratu monolitikoa (IC, txip bat edo mikrotxip bat esaten zaio) zirkuitu elektroniko miniaturizatu bat da, material erdieroalezko elementu batean egina, eskuarki siliziozkoa. MOSFET txiki asko (Metal oxido erdieroalezko eremu-efektuko transistoreak) txip txiki batean integratzen dira. Hori gertatzen da osagai elektroniko diskretuekin eraikitakoak baino txikiagoak, azkarragoak eta merkeagoak diren zirkuituetan. Zirkuitu integratu[1]batean milakatik milioikatara dispositibo elektroniko egon daitezke. Txipetan batez ere diodoak eta transistoreak egoten dira, baina elementu pasiboak ere izaten dira, adibidez, erresistentziak. Zirkuitu txertatuak ia tresna elektroniko guztietan erabiltzen dira, eta beraien erabilera izugarrizko iraultza izan da elektronikaren munduan.

EPROM memoria-mikrotxip baten zirkuitu integratua. Zirkuitu integratua paketatze-hankekin lotzen duten memoria-blokeak, euskarri-zirkuituak eta zilar-alanbre finak erakusten ditu.

Gaur egungo zirkuitu txertatu bat. Irakurketa programagarriko memoria ezabagarria (EPROM) duten zirkuitu integratuak.

Txipa masan ekoizteko gaitasuna, haren fidagarritasuna eta zirkuitu integratuen diseinua erabat blokeatzeko ikuspegia direla eta, azkar hartu dira txip estandarizatuak, transistore diskretuak dituzten diseinuen ordez. Txipa ekipo elektroniko guztietan erabiltzen da orain, eta elektronikaren mundua goitik behera aldatu dute. Ordenagailuak, sakelako telefonoak eta etxeko beste aparatu batzuk gizarte modernoen egituraren zati banaezinak dira orain, eta zirkuitu integratuak txikiak eta merkeak dira, hala nola prozesadore informatiko modernoak eta mikrokontrolagailuak. Hauen ekoizpen merkeak eragin du gaur egungo gizarte modernoan hain erabiliak diren ordenagailu, mugikor eta beste tresna digitalak eskuragarri izatea.

Eskala handiko integrazioa praktikan jarri zen, MOS gailu erdieroaleen fabrikazioan izandako aurrerapen teknologikoengatik. 1960ko hamarkadan sortu zirenetik, txipen tamainak, abiadurak eta gaitasunak izugarri egin dute aurrera, eta aurrerapen teknikoek bultzatuta, gero eta MOS transistore gehiago sartzen dira tamaina bereko txipetan – txip moderno batek milaka milioi MOS transistore izan ditzake giza azazkal baten tamainako eremu batean. Aurrerapen horiek, Mooreren legeari jarraituz gutxi gorabehera, gaur egungo ordenagailu-txipek hirurogeita hamarreko hamarkadaren hasierako ordenagailu-txipen ahalmena halako milioika eta milaka aldiz izatea eragiten dute.

Zirkuitu integratuek bi abantaila nagusi dituzte zirkuitu diskretuen aldean: kostua eta errendimendua. Kostu txikia dute, osagai guztiak dituzten txipak fotolitografiako unitate gisa inprimatzen baitira, aldi berean transistore bat eraiki beharrean. Gainera, zirkuitu integratu ontziratuek askoz material gutxiago erabiltzen dute zirkuitu diskretuek baino. Errendimendua handia da, zirkuitu integratuaren osagaiak azkar aldatzen direlako eta potentzia nahiko txikia kontsumitzen dutelako, tamaina eta hurbiltasun txikia dutelako. Zirkuitu integratuen desabantaila nagusia da oso garestia dela haiek diseinatzea eta behar diren fotomaskarak egitea. Hasierako kostu handi horrek esan nahi du honen ekoizpen handia aurreikusten denean baino ez dela bideragarria.

Historia

1949ko apirilean, Werner Jacobi[2] ingeniari alemaniarrak, erdieroaleak dituen eta anplifikagailuz osatutako zirkuitu txertatuak dituen dispositiborako lehenengo patente-eskaera egin zuen. Jacobik audifono txiki eta merkeak erakutsi zituen bere patentearen ohiko aplikazio industrial gisa.

Geoffrey Dummer, 1950eko hamarkadan.

Kontzeptuaren ideiaren lehen defendatzaileetako bat Geoffrey Dummer izan zen (1909–2002), Britainia Handiko Defentsa Ministerioko Real Radar Establishment-entzat lan egiten zuen radar-zientzialaria. Honek, zirkuituen txertaketa asmatu zuen[3] eta 1940ko hamarkadaren amaieran eta 1950ko hamarkadaren hasieran, Dummer-ek Erresuma Batuko Ministerioko Royal Radar Establezimenduan lan egin zuen. Dummer-ek 1952ko maiatzaren 7an Washingtonen osagai elektronikoen kalitatearen aurrerapenari buruzko sinposioan aurkeztu zion ideia jendeari.

Sinposio asko egin zituen jendaurrean bere ideiak zabaltzeko, eta 1956an zirkuitu hori eraikitzen saiatu zen, arrakastarik gabe. 1953 eta 1957 bitartean, Sidney Darlingtonek eta Yasuo Taruik (Laborategi Elektroteknikoa) antzeko txipak proposatu zituzten, non transistore batzuek eremu aktibo komun bat parteka zezaketen, baina ez zegoen isolamendu elektrikorik elkarrengandik bereizteko.[2]

Lehenengo zirkuitu integratuak

Zirkuitu integratuaren ideia aitzindari bat zeramikazko substratu txikiak sortzea zen (SO izeneko mikromodoak),[4]bakoitza osagai miniaturizatu bakarrarekin. Orduan, osagaiak bi dimentsioko edo hiru dimentsioko sare trinko batean integratu eta kableatu daitezke. Ideia hori, 1957an oso itxaropentsua zirudien arren, Estatu Batuetako armadari proposatu zion Jack Kilbyk[4], eta iraupen laburreko mikromoduluen programara eraman zuen (1951ko Tinkertoy proiektuaren antzekoa). [5] [6]Hala ere, proiektua bultzatzen ari zen heinean, Kilbyk diseinu iraultzaile berri bat asmatu zuen: zirkuitu integratua.

1958ko Jack Kilbyren jatorrizko zirkuitu integratu hibridoa. Hau izan zen germanioz egindako lehen zirkuitu integratua.

Texas Instruments-ek[7] erabili berri duen Kilbyk 1958ko uztailean integratutako zirkuituari buruzko hasierako ideiak erregistratu zituen, eta 1958ko irailaren 12an zirkuitu integratu baten funtzionamenduaren lehen adibidea arrakastaz erakutsi zuen. Zirkuitu txertatu hau sei transistorez osatutako germaniozko dispositibo bat zen. 1959ko otsailaren 6ko patente-eskaeran,[8]Kilbyk honela deskribatu zuen gailu berria: "material erdieroalez egindako gorputz bat…, non zirkuitu elektronikoaren osagai guztiak guztiz integratuta baitaude. [9]Asmakizun berriaren lehen bezeroa Estatu Batuetako Aire Indarra izan zen. Kilbyk, berriz, 2000 Fisikako Nobel saria irabazi zuen zirkuitu integratuaren asmakuntzan. [10]Hala ere, Kilbyren asmakuntza zirkuitu integratu hibridoa zen (zirkuitu integratu hibridoa), zirkuitu integratu monolitikoko txiparen ordez (zirkuitu integratu monolitikoa). [11] Kilbyren zirkuitu integratua kanpoko kable-konexioak zituen, eta horrek produzitzea zaildu zuen.[12]

Robert Noycek 1959an asmatu zuen lehen zirkuitu integratu monolitikoa. Txipa silizioz egina zegoen.

Kilby gertatu eta urte erdira, Robert Noycek-ek Fairchild Semiconductorren benetako zirkuitu integratu monolitikoaren lehen txipa asmatu zuen. Sei hilabete behar izan zituen sortzeko, eta gero, patentatu zuen. [12][13]Zirkuitu integratu berri bat zen, Kilbyren inplementazioa baino praktikoagoa non Kilby-ren zirkuituaren zenbait arazo praktikori irtenbidea eman zien, adibidez, osagai guztien interkonexioarena. Noyceken diseinua silizioz eginda zegoen, eta Kilbyren txipa, berriz, germanioz. Noycek-ek zirkuitu integratu monolitikoak siliziozko txip batean jarri zituen osagai guztiak, eta kobrezko lerroekin konektatu zituen. [18] Noyceken zirkuitu integratu monolitikoa prozesu planarra erabiliz fabrikatu zen, Jean Hoerni lankideak 1959aren hasieran garatua. Txip modernoak Noyceken txip monolitikoan oinarritzen dira, Kilbyren txip hibridoaren ordez. Noycek zirkuitu txertatuen aurrelaria eta gaur egungo zirkuitu txertatuen ekoizle famatuaren, Intel Corporation, kofundatzailea izan zen.

NASAren Apolo programa izan zen 1961 eta 1965 artean zirkuitu integratuen banakako kontsumitzaile handiena.[14]

Zirkuitu txertatuak gaur egungo gailu elektroniko guztietan topa daitezke, erlojuetan, autoetan, telebistetan, MP3 erreproduzitzaileetan, telefono mugikorretan, ordenagailuetan, medikuntzako ekipamenduetan eta abar. Erdieroaleek huts-balbulen zenbait funtzio egin zezaketela esperimentalki frogatu zenean, teknologia honen garapena posiblea izan zen. Egiaztapen hauek, saiakuntza-ikerketa batzuen ondorioz lortu ziren.

Aurrerapen izugarria gertatu zen transistore kopuru handiak txip txikietan txertatzea lortu zenean.

Balbulez eta osagai diskretuz osaturiko zirkuituak azkar ordeztu ziren. Ordezkapen hau hiru arrazoi nagusiengatik gertatu zen: zirkuitu txertatuen ekoizpen masiboa, beraien fidagarritasuna eta hauei konplexutasuna gehitzeko erraztasuna.

Hiru dira zirkuitu txertatuen abantailak zirkuitu tradizionalekiko: kostu baxua, efizientzia energetiko hobea eta tamaina txikia. Zirkuitu hauek siliziozko olata batean fotolitografiaz inprimatzen direnez, beraien kostua baxua da. Prozesu honi esker, zirkuitu txertatuak kate-produkzioan kantitate handietan ekoiztu daitezke akats gutxiekin. Zirkuituen osagaiak oso txikiak direnez efizientzia hobea ematen da, eta hauen energia-igorpena osagai diskretuz osatutako zirkuituen igorpena baino askoz txikiagoa da. Zirkuitu txertatuen eta zirkuitu tradizionalen tamainan desberdintasun handia dago. Osagai diskretuz osaturiko zirkuitu batean transistore batek milimetro karratu batzuk hartzen ditu eta zirkuitu txertatu batean, aldiz, milioika transistore sartu daitezke milimetro karratu batzuetan. XX. mendearen erdialdean gailu erdieroaleen ekoizpenean egondako garapenek ahalbidetu zuten zirkuitu txertatuen garapena.

Mikroprozesadoreak dira zirkuitu txertatu konplexuenak eta garatuenak. Hauek gailu ugari kontrolatzen dituzte, telefono mugikorretatik eta mikrouhinen labeetatik ordenagailuetaraino.

CMOS transistore bat

Memoria digitaletako txipak zirkuitu txertatuen familiakoak dira, eta gaur egungo gizarte modernorako garrantzia handia daukate. Zirkuitu txertatu bakarra diseinatzea eta ekoiztea oso garestia da, baina milioika unitate fabrikatzerakoan kostua minimora jaisten da. Zirkuitu txertatuen efizientzia oso altua da, hauen tamaina txikiagatik. Honek konexio laburrak eta abiadura altukoak izatea baimentzen du, eta horrela, erabilitako logika kontsumo baxukoa da, adibidez CMOS. Urteak pasa ahala, zirkuitu txertatuak asko garatu dira: ezaugarri, prestakuntza, errendimendu, energia-kontsumo, efizientzia eta eraginkortasun hobeekin (ikus Mooreren legea).

Nahiz eta erabiltzaileak ez hauteman aldaketa azkar hauek, fabrikatzaileen artean konpetentzia izugarria dago. Adibidez, hurrengo urteetan zirkuitu txertatuen munduan gertatuko diren aldaketak International Technology Roadmap for Semiconductors delakoak adierazten ditu.

TTL zirkuitu integratuak

James L. Buiek garatu zuen transistore-transistore logika (TTL) 1960aren hasieran, TRW Inc-ean. TTL izan zen zirkuitu integratuaren teknologia nagusia 1970eko hamarkadan, 1980aren hasieran.[15]

Dozena zirkuitu integratu TTL miniordenagailu eta ordenagailu zentralen prozesadoreetarako eraikuntza-metodo estandarra izan ziren. Mainframes IBM 360, PDP-11 miniordenagailuak eta Datapoint 2200 idazmahaia zirkuitu integratu bipolarren bidez eraiki ziren,[16] bai TTL bidez, bai akoplatutako emisio-logika are azkarragoa erabiliz (ECL).

MOS zirkuitu integratuak

Ia txip moderno guztiak metalezko zirkuitu integratuak dira, MOSFETetatik abiatuta eraikiak (metal-efektuko transistoreak). [17] MOSFETak (MOS transistorea ere deitzen zaio), Mohamed M. Atallak eta Dawon Kahng-ek 1959an Bell Labsen asmatutakoak,[18] dentsitate handiko zirkuitu integratuak eraikitzea ahalbidetu zuen. [19] Transistore bipolarrek ez bezala, pasabide batzuk behar zituzten p–n loturan transistoreak txip batean isolatzeko, MOSFETek ez zuten halako urratsik behar, baina erraz isolatzen ziren batzuk besteetatik. Dawon Kahng-ek bere abantaila adierazi zuen 1961ean zirkuitu integratuentzat. [20]

Fabrikatzeko lehen MOS zirkuitu integratu esperimentala 16 transistoreko txip bat izan zen, Fred Heimanek eta Steven Hofsteinek RCAn 1962an eraikia.[21] Ondoren, General Microelectronics-ek MOS zirkuitu integratu komertziala sartu zuen 1964an,[22] Robert Normanek garatutako 120 transistoreko truke-erregistro bat. 1964an, MOS txipek transistore dentsitate handiagoa zuten, eta fabrikazio-kostuak txip bipolarrak baino txikiagoak ziren. MOS txipak are konplexuagoak izan ziren Mooreren legeak aurreikusitako erritmoan, eta, ondorioz, eskala handiko integrazioa (LSI) egin zen, ehunka transistorerekin MOS txip bakar batean 1960aren amaieran. [23]

Robert Kerwin-ek, Donald Klein-ek eta John Saracek Bell Labs-en MOSFET ate autolerrokatua (silikonazko atea) garatu ondoren, 1967an, Fairchild Semiconductorren 1968an zirkuitu integratu guztien oinarria den silikonazko atedun MOS txipa lehen teknologia garatu zuen Federico Faggin. [24] Konputazioari MOS LSI txipak aplikatzea izan zen lehen mikroprozesadoreen oinarria, ingeniariak onartzen hasi baitziren prozesadore informatiko oso bat MOS LSI txip bakar batean egon zitekeela. Horren ondorioz, 1970eko hamarkadaren hasieran, mikroprozesadorearen eta mikrokontrolatzailearen asmakuntzak sortu ziren. 1970eko hamarkadako lehen urteetan, MOS zirkuitu integratuen teknologiari esker, 10.000 transistore baino gehiago txip bakar batean integratu ziren eskala handian (VLSI).[25]

Hasieran, MOSetan oinarritutako konputagailuek zentzua zuten dentsitate handia behar zenean, hala nola kalkulagailu aeroespazialak eta sakelako kalkulagailuak. TTLtik aurrera, 1970eko Datapoint 2200 bezala, osoki eraikitako konputagailuak askoz azkarragoak eta ahaltsuagoak izan ziren txip-bakarreko mikroprozesadoreak baino, hala nola 1972ko Intel 8008, 1980ko hasiera arte.[16]

Ospea

Mende erdi bat besterik ez da igaro zirkuitu txertatuak garatzen hasi zirenetik, eta gaur egun nonahi aurki ditzakegu. Ordenagailuak, mugikorrak eta beste hainbat aplikazio digital gizarte modernoaren parte bilakatu dira. Informatika, komunikazioak, manufakturak, garraio-sistemak eta internet besteak beste, zirkuitu txertatuen menpe daude. Gainera, hainbat adituk diotenez, zirkuitu txertatuek sorturiko iraultza gizakiaren historiako handienetarikoa izan da.

Motak
Zirkuti txertatu bat

Gutxienez hiru mota ezberdineko zirkuitu txertatuak daude:

  • Zirkuitu monolitikoak: monokristal batekin eratuta daude. Normalean siliziozkoak izaten dira, baina germanio, galio arseniuro edo silizio-germanioarekin egindakoak ere aurki daitezke.
  • Geruza meheko zirkuitu hibridoak: zirkuitu monolitikoen oso antzerakoak dira, baina, teknologia monolitikoarekin eraikitzerakoan, osagai zailak erabili dira. A/D bihurgailu eta D/A bihurgailu asko teknologia hibridoan eraiki ziren, teknologiaren garapenak erresistentzia zehatzak eraikitzea ahalbidetu zuen arte.
  • Geruza lodiko zirkuitu hibridoak: Zirkuitu monolitikoetatik aldentzen dira. Kapsula gabeko zirkuitu monolitikoz osatuta egon ohi dira, transistoreak, diodoak eta abar oinarri dielektriko batean kokatuta eta pista eroalez konektaturik.Erresistentziak serigrafia bidez jarri eta laser-ebaketa bat eginez doitzen dira. Hau guztia plastikozko edo metalezko kapsuletan sartzen da, xahutzen den beroaren arabera. Kasu askotan, kapsula ez da moldeatzen, eta epoxi erretxinarekin estaltzen da babes handiagoa lortzeko. Zirkuitu hauek irrati-frekuentzia moduluetan (RF), elikadura-iturri, autoetako abioetan eta abar aurki daitezke.

Beste aldetik, Integratutako funtzioen arabera zirkuitu integratuak sailka daitezke analogikoan, digitalean[26] eta seinale mistoan, hots, seinale analogiko eta digitaletan, txip berean.

Gaur egungo zirkuitu konplexu baten diseinua

Zirkuitu txertatu analogikoak

Transistore sinple batzuetatik , anplifikadore, osziladore edo irrati-hartzaile bezalako zirkuitu erabilgarrietaraino heldu daitezke.

Zirkuitu txertatu analogikoek, hala nola sentsoreek, potentzia kudeatzeko zirkuituek eta anplifikadore operatiboek (op-amps), seinale jarraituak prozesatzen dituzte eta funtzio analogikoak egiten dituzte, hala nola anplifikazioa, iragazte aktiboa, desmodulazioa eta frekuentzia-nahasgailua.

Zirkuitu txertatu digitalak

Zirkuitu integratu digitalek milaka milioi[27] ate logiko, biegonkor, multiplexadore eta beste zirkuitu batzuk izan ditzakete milimetro karratu gutxi batzuetan. Zirkuitu horien tamaina txikiari esker, abiadura handia, potentzia txikiko disipazioa eta fabrikazio-kostu txikia lor daitezke, junturan integratuta dagoenarekin alderatuta. Zirkuitu digital horiek, eskuarki mikroprozesadoreak, DSP eta mikrokontrolagailuak, aljebra boolearra erabiltzen dute "bat" eta "zero" seinaleak prozesatzeko. Oinarrizko ate logiko batzuetatik (AND, OR, NOT) mikroprozesagailu edo mikrokontrolatzaile batzuetaraino izan daitezke. Zirkuitu integratu aurreratuenen artean mikroprozesadoreak edo "nukleoak" daude, ordenagailu pertsonaletan, zelularretan, mikrouhin-labeetan eta abarretan erabiltzen direnak. Zenbait nukleo sar daitezke txip edo zirkuitu integratu bakar batean. Memoria digitaleko txipak eta aplikatzeko zirkuitu integratu espezifikoak (ASIC) zirkuitu integratuen beste familia batzuen adibideak dira.

Zirkuitu integratuek zirkuitu analogikoak eta digitalak txip batean konbinatu ditzakete, bihurgailu analogiko-digitalak eta bihurgailu digital-analogikoak sortzeko. Seinale mistoko zirkuituak zirkuitu horiek baino txikiagoak eta merkeagoak dira, baina kontuan izan behar dute seinalearen interferentzia. Laurogeita hamarreko hamarkadaren amaiera baino lehen, irratiak ezin ziren mikroprozesadoreen kostu txikiko CMOS prozesu beretan fabrikatu. Baina 1998az geroztik RF CMOS prozesuak erabiltzen dituzten irrati-txipak garatu dira. Adibidez, Intelen DECT haririk gabeko telefonoa edo Atherosek eta beste enpresa batzuek sortutako 802.11 txipak (Wi-Fi).

Orokorrean zirkuitu txertatuen fabrikazioa konplexua da, osatzen duten osagaien integrazioa espazio oso txiki batean egin behar delako. Bestalde, zirkuitu zaharragoekin alderatuz, muntaia eraginkorragoa eta azkarragoa da.

Belaunaldiak

Zirkuitu integratu sinpleen lehen egunetan, teknologiaren eskala handiak transistore gutxi batzuetara mugatzen zuen txip bakoitza, eta integrazio-maila apalak esan nahi zuen diseinu-prozesua nahiko sinplea zela. Fabrikazio-errendimenduak ere nahiko txikiak ziren, egungo arauen arabera. Metal/oxido/erdieroalearen (MOS) teknologiak aurrera egin ahala, milioika eta milaka milioi transistore MOS txip bakar batean jar zitezkeen, eta diseinu honek plangintza zehatza eskatzen zuten, diseinu elektronikoaren automatizazio-eremua edo EDA sortuz. SSI eta MSIzko txip batzuk, hala nola transistore diskretuak, oraindik pixkanaka sortzen dira, bai ekipo zaharrak mantentzeko, bai ate gutxi batzuk behar dituzten gailu berriak eraikitzeko.

Txipak erabilitako osagai-kopuruaren arabera sailkatu daitezke:

  • SSI (ingelesez, Small Scale Integration) maila txikia: 10-100 transistore.
  • MSI (ingelesez, Medium Scale Integration) maila ertaina: 101-1.000 transistore.
  • LSI (ingelesez, Large Scale Integration) maila handia: 1.001-10.000 transistore[28].
  • VLSI (ingelesez, Very Large Scale Integration) maila oso handia: 10.001-100.000 transistore.
  • ULSI (ingelesez, Ultra Large Scale Integration) maila ultra handia: 100.001-1.000.000 transistore[29].
  • GLSI (ingelesez, Giga Large Scale Integration) maila giga handia: milioi bat baino transistore gehiago.

Eskala txikiko integrazioa (SSI)

Lehenengo zirkuitu integratuek transistore batzuk baino ez zituzten. Dozenaka transistore zituzten lehen zirkuitu digitalek ate logiko gutxi batzuk eman zituzten, eta lehenengo zirkuitu integratu linealek, hala nola Plessey SL201 edo Philips TAA320, bi transistore baino ez zituzten. Zirkuitu integratu bateko transistore kopurua izugarri handitu da ordutik. "Eskala handiko integrazioa" (LSI) terminoa IBM Rolf Landauer-eko zientzialariak erabili zuen lehen aldiz kontzeptu teorikoa deskribatzean;[30] termino horrek honako termino hauek sortu zituen: "eskala txikiko integrazioa" (SSI), "eskala handiko integrazioa" (MSI), "eskala handiko integrazioa" (VLSI) eta "eskala ultra handiko integrazioa". Lehenengo zirkuitu integratuak SSI izan ziren.

SSI zirkuituak funtsezkoak izan ziren lehen proiektu aeroespazialetarako, eta proiektu aeroespazialek teknologiaren garapena inspiratzen lagundu zuten. Bai Minuteman misilen programak bai Apollo programak ordenagailu digital arinak behar zituzten inertzia-orientazioko sistemetarako. Apollo Guidance konputagailuak zirkuitu integratuaren teknologia gidatu eta bultzatu zuen arren, Minuteman misilak bultzatu zuen masa ekoizpena. Minuteman misil-programak eta Estatu Batuetako Itsas Armadako beste programa batzuek $4 milioi zirkuitu integratuen merkatua osatu zuten 1962an, eta 1968rako, Estatu Batuetako Gobernuak espazioari eta defentsari dagokienez egindako gastua $312 milioiko ekoizpen osoaren %37 zen artean.

Lehen aplikazioko MOS txipak eskala txikiko integrazio-txipak (SSI) izan ziren. Mohamed M. Atalla MOS zirkuitu integratuko txipak 1960an egindako proposamenari jarraituz,[31] fabrikatu beharreko lehen MOS txip esperimentala 16 transistoreko txip bat izan zen, Fred Heimanek eta Steven Hofsteinek RCAn 1962an eraikia. [21] MOS SSI txipen lehen aplikazio praktikoa NASAren sateliteentzat izan zen.

Eskala erdiko integrazioa (MSI)

Zirkuitu integratuak garatzeko hurrengo urratsean, txip bakoitzean ehunka transistore zituzten gailuak sartu ziren, "eskala ertaineko integrazioa" (MSI) izenekoak.

MOSFET eskala-teknologiari esker, dentsitate handiko txipak eraiki ziren.[19] 1964an, MOS txipek transistore dentsitate handiagoa zuten, eta fabrikazio-kostuak txip bipolarrak baino txikiagoak ziren.[23]

1964an, Frank Wanlass-ek 16 biteko desplazamendu erregistro bat erakutsi zuen, 120 MOS transistore zituen txip bakar harrigarri batekin.[32] Urte berean, General Microelectronics-ek MOS zirkuitu integratuko lehen txip komertziala sartu zuen, PA kanaleko 120 MOS transistorekoa.[22] 20 biteko erregistroa izan zen, Robert Norman[21] eta Frank Wanlass-ek garatua. MOS txipak are konplexuagoak izan ziren Mooreren legeak aurreikusitako erritmoan, eta, hala, 1960aren amaieran, ehunka MOSFET zituzten txipak sortu ziren txip batean.

Eskala handiko integrazioa (LSI)

Garapen handiago batek, MOSFET eskalako teknologia eta faktore ekonomiko berak bultzatuta, 1970eko hamarkadaren erdialdean "eskala handiko integrazioa" (LSI) ekarri zuen, dozenaka mila transistore txip bakoitzeko.

SSI, MSI eta LSI eta VLSI goiztiarrak prozesatzeko eta fabrikatzeko erabiltzen diren maskarak (adibidez, 1970eko hamarkadako lehen urteetako mikroprozesadoreak) eskuz sortu ziren, sarritan zinta itsasgarria edo antzekoak erabiliz. [33]Zirkuitu integratu handi edo konplexuetarako (memoriak edo prozesadoreak, esaterako), zirkuituen banaketaz bereziki kontratatutako profesionalek egin zuten maiz, eta ingeniari-talde batek gainbegiratuta jarri ziren; hark, zirkuituen diseinatzaileekin batera, maskara bakoitzaren zehaztasuna ikuskatu eta egiaztatuko zuen.

1K-biteko RAMak, kalkulagailuko txipak eta lehen mikroprozesadoreak, 1970eko hamarkadaren hasieran neurrizko kantitatean hasi zirenak, 4.000 transistore baino gutxiago zituzten. LSIko benetako zirkuituak, 10.000 transistore ingurura hurbiltzen direnak, 1974 inguruan hasi ziren, ordenagailuaren memoria nagusientzat eta bigarren belaunaldiko mikroprozesadoreentzat.

Eskala oso handiko integrazioa (VLSI)

"Eskala oso handiko integrazioa" (VLSI) 1980. urtearen hasieran hasi zen garatzen, ehunka mila transistorerekin, eta, 2016. urtetik aurrera, transistoreen kontaketak hazten jarraitzen du, txip bakoitzeko hamar mila milioi transistore baino gehiago.

Hainbat garapen behar ziren dentsitatea handitzeko. Fabrikatzaileak MOSFET diseinu-arau txikiagoetara eta fabrikazio-instalazio garbiagoetara eraman ziren. Prozesuetako hobekuntzen ibilbidea Erdieroaleentzako Nazioarteko Ibilbide Teknologikoaren Orriak (ITRS) laburbildu zuen. Orduz geroztik, Gailu eta Sistemetarako Nazioarteko Ibilbide Orriak (IRDS) egin du.

Diseinu elektronikoko tresnak hobetu egin ziren, eta diseinuak arrazoizko denboran bukatzea praktikoa izan zen. Energiaren ikuspegitik eraginkorrenak diren CMOSek NMOS eta PMOS direlakoak ordezkatu zituzten, eta energiaren kontsumoa ez zen nabarmen handitu. VLSI gailu modernoen konplexutasuna eta dentsitatea ez zen posible maskarak egiaztatzea edo jatorrizko diseinua eskuz egitea. Ingeniariek, berriz, EDA tresnak erabiltzen dituzte egiaztapen funtzionaleko lan gehiena egiteko.[34]

ULSI, WSI, SoC eta 3D-IC

Konplexutasunaren hazkunde handiagoa islatzeko, ULSI hitza proposatu zen, hau da, "eskala ultra handiko integrazioa", milioi bat transistore baino gehiagoko txipetarako.[35]

Wafer eskalan integrazioa (WSI) oso zirkuitu integratu handiak eraikitzeko bitarteko bat da, siliziozko olata oso bat erabiltzen dutenak "supertxip" bakarra sortzeko. Tamaina handiko eta ontzi txikietako konbinazioaren bidez, WSIk kostuen murrizketa bortitza eragin lezake sistema batzuentzat, bereziki modu masiboan paraleloak diren superordenagailuentzat. Izena Integrazio handia terminotik hartzen da, WSI garatzen ari zen teknikaren egungo egoera.[36]

Txip bateko sistema bat (SoC edo SOC) zirkuitu integratu bat da, eta bertan ordenagailu edo sistema baterako behar diren osagai guztiak txip bakar batean sartzen dira. Horrelako gailu baten diseinua konplexua eta garestia izan daiteke, eta, errendimendu-onurak, berriz, beharrezkoak diren osagai guztiak txip bakar batean integratuz lor daitezke; lizentziaren kostua eta txip bakarreko makina baten garapena, berriz, gailu bereiziak baino handiagoak dira oraindik. Lizentzia egokiekin, eragozpen horiek konpentsatu egiten dira fabrikazio- eta muntaketa-kostu baxuagoekin eta energia-aurrekontu oso txikiarekin: osagaien arteko seinaleak mugitzen direnez, askoz energia gutxiago behar da.[37]Gainera, seinale-iturriak eta helmugak fisikoki hurbilago daude txipetik, kableatuaren luzera murriztuz eta, beraz, baita latentzia, transmisio-kostuak eta moduluen arteko komunikazioaren hondar-beroa ere, txip berean. Horren ondorioz, Novo-on-Chip (NoC) gailuak aztertu dira. Gailu horiek txipetako sistemak diseinatzeko metodologiak aplikatzen dituzte komunikazio digitaleko sareetan, ohiko busen arkitekturen ordez.

Hiru dimentsioko zirkuitu integratu batek (3D-IC) zirkuitu bakar batean bertikalki eta horizontalki integratzen diren osagai elektroniko aktiboen bi geruza edo gehiago ditu. Geruzen arteko komunikazioak seinaleztapen bakarra erabiltzen du; beraz, energia askoz gutxiago kontsumitzen da zirkuitu bereizi baliokideetan baino. Kable bertikal laburrak zentzuz erabiltzeak nabarmen murriztu dezake kablearen luzera osoa, funtzionamendu azkarragoa lortzeko. [38]

Zirkuitu integratuen mugak

Zirkuitu integratuak egiterakoan, muga fisiko eta ekonomikoak agertzen dira. Teknologia garatzean mugak aldentzen diren arren, ez dira desagertzen. Hauek dira horietako batzuk:

Potentziaren xahutzea

Zirkuitu elektrikoek potentzia xahutzen dute. Zirkuituko osagai-kopurua handitzen bada, zirkuitua gehiago berotuko da, eta xahutuko den potentzia handiagoa izango beharko da. Gainera, kasu askotan berrelikadura positiboa denez, tenperaturaren igoerak korronte handiagoak eragingo ditu. Fenomeno honi neurrigabeko beroketa termikoa deitzen zaio. Beroketa honek zirkuitua apurtu dezake. Audio-anplifikagailuak eta tentsio-erregulatzaileak fenomeno hau jasateko erraztasuna dutenez, bero-babesa eramaten dute.

Potentzia-zirkuituak energia gehien xahutzen dutenak dira. Hau dela eta, metalezko zatiak dituen kapsula bat eramaten dute. Metal zati hauek txiparekin kontaktuan daudenez, beroa disipatzen dute. Hala ere, silikonaz egindako kapsula berriek energia gehiago disipatzen dute tamaina txikiagoarekin besteek baino.

Zirkuitu digitalek arazo hau konpontzen dute elikadura-tentsioa txikituz eta kontsumo txikiko teknologiak erabiliz. Hala ere, integrazio gehiago eta abiadura gehiago duten zirkuituetan, beroaren xahutzea da arazorik handienetarikoa.

Kapazitateak eta autoindukzio-parasitoak

Efektu hau zirkuituaren, txiparen eta kapsularen arteko konexio elektrikoei eragiten dio, bere frekuentzia mugatuz. Zirkuitu digitaletan bus kitzikatzaileetan, erloju-sorgailuetan, irratietan, mikrouhinetan eta abar oso garrantzitsua da inpedantzia(Z) mantentzea.

Osagaien mugak
  • Erresistentziak: Ez dira oso erabiliak, oso handiak direlako. Hau dela eta, balio ohmniko(Ω) gutxikoak erabiltzen dira eta MOS teknologian ia ezabatu egiten dira.
  • Kondentsadoreak: Beraien tamaina dela eta, balore faradiko (f) txikikoak izango dira. Adibidez, μA741 anplifikadorean, kondentsadorea txiparen tamainaren laurdena izango da.
  • Induktoreak: irrati-frekuentziako zirkuituetan erabiltzen dira, gehienak hibridoak izanik. Orokorrean ez dira integratzen.

Integrazio-dentsitatea

Fabrikazio-prozesuetan akatsak pilatzen dira. Honek bukaerako produktuan akats batzuk ekarriko ditu. Hau dela eta, memoria zirkuituetan, milioika transistore dituztenak, beharrezkoak baino gehiago instalatzen dira, akatsak dituztenak ordezkatu ahal izateko.

Erreferentziak
  1. .
  2. (Ingelesez) «Who Invented the IC?» CHM 2014-08-20 (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  3. "The Hapless Tale of Geoffrey Dummer", (n.d.), (HTML), Electronic Product News, accessed 8 July 2008.
  4. «EETimes.com | Electronics Industry News for EEs & Engineering Managers» web.archive.org 2010-01-07 (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  5. (Ingelesez) «The RCA Micromodule» Vintage Computer Chip Collectibles, Memorabilia & Jewelry (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  6. (Ingelesez) Dummer, G. W. A.; Robertson, J. Mackenzie. (2014-05-16). American Microelectronics Data Annual 1964–65. Elsevier ISBN 978-1-4831-8549-1. (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  7. .
  8. Kilby, Jack S.. (1964-06-23). Miniaturized electronic circuits. (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  9. (Ingelesez) Winston, Brian. (1998). Media Technology and Society: A History : from the Telegraph to the Internet. Psychology Press ISBN 978-0-415-14230-4. (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  10. (Ingelesez) «The Nobel Prize in Physics 2000» NobelPrize.org (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  11. (Ingelesez) Saxena, Arjun N.. (2009). Invention of Integrated Circuits: Untold Important Facts. World Scientific ISBN 978-981-281-445-6. (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  12. www.hq.nasa.gov (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  13. «1959: Practical Monolithic Integrated Circuit Concept Patented | The Silicon Engine | Computer History Museum» www.computerhistory.org (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  14. (Ingelesez) Hall, Eldon C.. (1996). Journey to the Moon: The History of the Apollo Guidance Computer. AIAA ISBN 978-1-56347-185-8. (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  15. (Ingelesez) IEEE Computer Society. 2022-05-17 (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  16. alt="">, <img src="//2 bp blogspot com/-tSlD4--450U/X-USzAGeosI/AAAAAAAAJO0/t9G4xgtrX7oTEYEbluwuOj_vuFOxRs59QCK4BGAYYCw/s35/Snapshot_20130511_1 JPG" width="35" height="35" class="photo". The Texas Instruments TMX 1795: the (almost) first, forgotten microprocessor. (Noiz kontsultatua: 2022-06-03).
  17. Kuo, Yue. (2013-01-01). «Thin Film Transistor Technology—Past, Present, and Future» ECS Interface Magazine 22: 55.  doi:10.1149/2.F06131if. (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  18. «1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated | The Silicon Engine | Computer History Museum» www.computerhistory.org (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  19. (Ingelesez) «Who Invented the Transistor?» CHM 2013-12-04 (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  20. (Ingelesez) Bassett, Ross Knox. (2002-05). To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology. JHU Press ISBN 978-0-8018-6809-2. (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  21. «Tortoise of Transistors Wins the Race - CHM Revolution» www.computerhistory.org (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  22. «1964: First Commercial MOS IC Introduced | The Silicon Engine | Computer History Museum» www.computerhistory.org (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  23. (Ingelesez) «The Surprising Story of the First Microprocessors» IEEE Spectrum 2016-08-30 (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  24. «1968: Silicon Gate Technology Developed for ICs | The Silicon Engine | Computer History Museum» www.computerhistory.org (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  25. (Ingelesez) «Metal-Oxide-Semiconductor Technology» Scientific American (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  26. Martin, Robert C.. (2003). Agile software development : principles, patterns, and practices. Upper Saddle River, N.J. : Prentice Hall ISBN 978-0-13-597444-5. (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  27. (Ingelesez) «Inside Pascal: NVIDIA’s Newest Computing Platform» NVIDIA Technical Blog 2016-04-05 (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  28. C. F. O'Donnell. "Engineering for systems using large scale integration". p. 870.
  29. .
  30. (Ingelesez) Safir, Ruben. (2015-03-17). NYLXS Journal March 2015. Lulu.com ISBN 978-1-312-99551-2. (Noiz kontsultatua: 2022-06-05).
  31. (Ingelesez) Moskowitz, Sanford L.. (2016-09-13). Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century. John Wiley & Sons ISBN 978-0-470-50892-3. (Noiz kontsultatua: 2022-06-05).
  32. (Ingelesez) «Electrical Engineering and Computer Science at the University of Michigan» Electrical Engineering and Computer Science (Noiz kontsultatua: 2022-06-04).
  33. (Ingelesez) Kanellos, Michael. «Intel's accidental revolution» CNET (Noiz kontsultatua: 2022-06-05).
  34. «CSDL | IEEE Computer Society» www.computer.org (Noiz kontsultatua: 2022-06-05).
  35. Meindl, J.D.. (1984-11). «Ultra-large scale integration» IEEE Transactions on Electron Devices 31 (11): 1555–1561.  doi:10.1109/T-ED.1984.21752. ISSN 1557-9646. (Noiz kontsultatua: 2022-06-05).
  36. Shanefield, Daniel J.. (1989-09-12). Wafer scale integration. (Noiz kontsultatua: 2022-06-05).
  37. Klaas, Jeff. (2004-11-09). System-on-a-chip. (Noiz kontsultatua: 2022-06-05).
  38. Topol, Anna W.; Tulipe, D. L.; Shi, Leathen; Frank, D.; Bernstein, K.; Steen, S.; Kumar, Arvind; Singco, G. et al.. (2006). «Three-dimensional integrated circuits» IBM J. Res. Dev.  doi:10.1147/rd.504.0491. (Noiz kontsultatua: 2022-06-05).

Kanpo estekak
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.