Mikropiiri

Mikropiirit perustuvat puolijohdeilmiöön, transistoriin.

Nykyaikaisen mikropiirin aktiivisen osan koko on muutamasta neliömillimetristä muutamiin neliösenttimetreihin. Transistorien määrä niissä vaihtelee pienten mikrokontrollerien muutamista tuhansista aina modernien prosessoreiden useampaan miljardiin kappaleeseen.

Edellä mainitun aktiivisen elektronisen osan lisäksi mikropiiri sisältää koteloinnin ja liitosjohtimet eli pinnit, joilla se liitetään esimerkiksi piiri- tai emolevyyn. Mikropiirin ja piirilevyn väliin voidaan kytkeä mikropiirikanta, jolloin mikropiiri on helposti irrotettavissa. Useimpien yleisten pienten kaksirivisten (DIL) mikropiirien liitosjohtimien välinen etäisyys toisistaan on tuuman kymmenesosa eli 2,54 mm tai sen kerrannainen, rivien välinen etäisyys on 7,62 mm. Nykyisin piirit kiinnitetään piirilevyyn usein pintaliitostekniikalla juotosnystyjen avulla.

Kun tietokonejärjestelmät kasvoivat monimutkaisemmiksi insinöörit etsivät yksinkertaisempi tapoja kytkeä tuhansia transistoreja.[1]

Geoffrey Dummer oli keksinyt mikropiirien konseptin.[2] Dummer esitteli työtään konferenssissa vuonna 1952 kirjoittaen, että transistorin ja puolijohteiden myötä oli mahdollista kuvitella elektroninen laite kiinteänä lohkona ilman kytkeviä johtoja.[2][1] Keksintö ei kuitenkaan johtanut rahoitukseen tai valmistukseen.[2] Useat projektit onnistuivat liittämään useita komponentteja 1950-luvulla.[1]

12. syyskuuta vuonna 1958 Texas Instrumentsin Jack Kilby esitteli samalle sirulle integroituja vastuksia ja transistoria.[3][4][1] Kilby rakensi piirin germanium-pohjaisilla p-n-p-transistoreilla.[1] Sirulla esiteltiin pienentämisen konseptia toteuttamalla integroitu oskillaattori.[1][5] Texas Instruments ilmoitti Kilbyn "kiinteän piirin" konseptista maaliskuussa 1959 ja esitteli ensimmäisen kaupallisen laitteen maaliskuussa 1960.[1] "Flying-wire"-liitokset eivät kuitenkaan olleet käytännöllinen tuotantomenetelmä ja vain muutamia toimitettiin arviointitarkoituksissa.[1] Vuonna 1959 Fairchild Semiconductorin perustaja Robert Noyce kehitti valmistusmenetelmää Jean Hoernin työn pohjalta.[6] Käyttämällä suojaavaa oksidikerrosta pystyi rakentamaan kokonaisia sähköisiä piirejä yhdelle piisirulle piikiekon yhdelle puolelle.[6][7] Poistamalla "flying-wire" -liitokset se olisi käytännöllinen menetelmä Kilbyn "kiinteille piireille".[6]

Kilbyn patenttihakemus jätettiin aikaisemmin kuin Noycen, mutta myönnettiin myöhemmin.[8][9] Tämä johti oikeustaisteluun, jonka tuloksena mikropiirien valmistajat joutuivat maksamaan sekä Fairchild Semiconductorille että Texas Instrumentsille.[2] Kilby tunnustetaan ensimmäisenä, jolla oli toimiva piiri jossa kaikki komponentit muodostettiin puolijohdemateriaalista; Noyce tunnustetaan "metalli oksidin päällä" -kytkennästä, joka tuottaa monoliittisen rakenteen.[6]

Noyce pyysi Jay Lastia kehittämään integroidun piirin perustuen Hoernin prosessiin ja Noycen patenttiin.[10] Last rakensi kiikun esittelemään konseptia ja perusti ryhmän.[10] Ensimmäiset toimivat monoliittiset laitteet valmistettiin 26. toukokuuta 1960.[10] Laitetta kehitettiin eteenpäin ja kiikut julkaistiin maaliskuussa 1961.[10] Texas Instruments otti nopeasti käyttöön tasomenetelmän ja julkaisi lokakuussa 1961 "täysin integroitujen piirien" sarjan.[10]

Kanavatransistoritekniikkaan perustuva MOSFET (MOS-transistori) saatiin toimimaan Bell Labsilla vuonna 1959.[11] Tekniikan mahdollisuudet integroiduissa piireissä huomattiin Fairchildilla ja RCA:lla.[11] Aluksi MOS-tekniikka ei ollut kiinnostavaa bipolaaritransistoreihin verrattuna, mutta myöhemmin tekniikalla saatiin korkeampi tiheys ja alhaisemmat valmistuskustannukset.[12]

1950-luvun lopulla Yhdysvaltain armeija ja RCA kehittivät hybridimikropiirejä, jotka olivat tiheitä rakennelmia elektronisilla komponenteilla.[13] Monoliittisten integroitujen piirien tultua toiminnot, jotka vaativat tiheää pakkausta mutta joita ei voitu integroida teknisistä tai taloudellisista syistä jatkoivat hybridivalmistusta.[13] IBM kehitti Solid Logic Technology (SLT) piirit IBM S/360 -tietokoneeseen kustannuksien ja nopeuden vuoksi ennen monoliittisien integroitujen piirien saatavuutta.[13]

Varhaiset integroidut piirit olivat suhteellisen hitaita ja korvasivat vain muutamia komponentteja, sekä maksoivat useita kertoja enemmän kuin diskreetteihin transistoreihin perustuvat vastineensa.[14] Ilmailun ja aseteollisuuden järjestelmät olivat harvoja sovelluskohteita, joissa alhainen virrankäyttö ja pieni koko olivat tärkeämpiä kuin nämä haittapuolet.[14] Apollo Guidance Computer (AGC) oli varhainen merkittävä käyttökohde: sen suunnitteli MIT vuonna 1962 ja sen valmisti Raytheon.[14]

Vuonna 1963 Sah ja Wanlass Fairchild Semiconductorilta julkaistivat artikkelin CMOS-prosessista.[15] RCA oli pioneeri CMOS-tekniikan käytöstä alhaisen virrankäytön integroituihin piireihin.[15]

Standardoidut logiikkapiiriperheet (DTL ja TTL) ilmeistyivät 1960-luvun alussa.[16] Vuonna 1961 James Buie patentoi TTL:n, josta tuli suosituin logiikkakonfiguraatio seuraavaksi kahdeksi vuosikymmeneksi.[16]

Ensimmäiset MOS-tekniikkaan perustuvat kaupalliset mikropiirit julkaistiin vuonna 1964.[17] General Microelectronicsin piirissä oli Robert Normanin suunnittelema kaksivaiheiseen kelloon perustuva 20 bitin siirtorekisteri 120 p-kanavatransistorilla.[17] Bipolaaritransistoreihin verrattuna korkeampi tiheys ja alhaisemmat kustannukset olivat ennakoitua vaikeampia saavuttaa MOS-transistoreilla monimutkaisen valmistuksen ja luotettavuuden johdosta.[17] Frederic Heiman ja Steven Hofstein valmistivat kokeellisen 16 transistorin mikropiirin RCA:lla vuonna 1961 ja tekivät merkittävää työtä pinnan oksidin laadussa.[17] Vuosien 1963 ja 1966 välillä Bruce Deal, Andrew Grove ja Ed Snow tekivät työtä Fairchildilla ja julkaisivat artikkeleita.[17] Useat yritykset globaalisti toimivat yhdessä ja kilpailivat tuottosuhteen ja luotettavuuden ratkaisemisessa.[17]

Gordon Mooren artikkeli integroitujen piirien kehityksestä ilmestyi vuonna 1965 ja ennakoi trendin jatkumista vuoteen 1975.[18] Alun perin artikkeli ennakoi komponenttien määrän tuplaantumista 12 kuukauden välein ja vuonna 1975 tätä päivitettiin tuplaantumiseksi kahden vuoden välein.[18] Arviosta tuli itseään toteuttava ennustus, kun se otettiin haasteena julkaista vuosittaisia edistysaskeleita "lain" mukaan.[18]

Ensimmäiset monoliittisia mikropiirejä käyttävät suurtietokoneet julkaistiin vuosina 1965 ja 1966 kuten Burroughs B2500/3500, RCA Spectra 70 ja SDS Sigma 7.[19]

Ensimmäiset ROM-muistipiirit ilmestyivät vuonna 1965.[20] Vuonna 1966 ilmestyivät eri tahojen suunnittelemat puolijohteeseen perustuvat RAM-muistit.[21] George Erdi suunnitteli vuonna 1968 yhden ensimmäisistä integroiduista piireistä datamuunnoksiin analogisesta digitaaliseen (ADC) ja digitaalisesta analogiseen (DAC).[22]

1970-luvun taiteessa MOS-tekniikkaan pohjautuva DRAM-muisti haastoi ferriittirengasmuistin hinnalla ja ensimmäiset mikroprosessorit ilmestyivät.[23][24]

Mikropiirit valmistetaan lähes tasomaisina tuotteina alhaalta-ylös periaatteella ja kerros- ja monivaiheprosessina, massatuotantona ja hyvin valokuvausta muistuttavasti. Tuotanto on pitkälle automatisoitua. Valmistusprosessin tärkeimmät vaiheet ovat:

• Ohutkalvon kasvatus (deposition)
• Optinen litografia, jossa tehdään ei-syövytettävien kohtien suojaus (patterning of photoresist)
• Etsaus (etching)

Näitä vaiheita toistetaan, kunnes haluttu rakenne on saavutettu.

Lopuksi valmis piikiekko muutetaan komponenteiksi:

• testaus (viallisten mikropiirien merkintä)
• kiekon paloittelu (dicing)
• kotelointi (packaging)
• lopputestaus tarvittaessa

Massatuotanto tarkoittaa, että yhdelle aiholle (15–30 cm:n halkaisijainen piikiekko) tehdään satoja mikropiirejä kerralla. Jokaisen mikropiirin jokaisen transistorin tietty kerros syntyy samalla prosessilla.

Lähikuva EPROM:n ikkunasta(elektronisesti ohjelmoitava ja UV-valolla tyhjennettävä muistipiiri)

Transistorien määrä mikropiirissä Mooren lain mukaan kasvaa tasaisin väliajoin.[25] Alkuperäisen Mooren lain mukaan transistorien määrä kasvoi kustannusten pysyessä vakiona.[25] Dennard-skaalaus on havainto, että jännite ja virta ovat suhteessa transistorin kokoon, jolloin transistorin pienentäminen vähensi myös tarvittavaa virtaa ja jännitettä.[25] Pienempi transistori myös vaihtaa tilaa nopeammin.[25]

Mikropiirien kehitystä kuvaa muun muassa yhteen mikropiiriin sisältyvien transistorien määrä. Nämä sukupolvet ovat:

• SSI (Small Scale Integration); muutamia transistoreja per mikropiiri; 1960-luvun alku
• MSI (Medium SI); satoja transistoreja; 1960-luvun loppupuoli, artikkeli Mooren laista julkaistaan
• LSI (Large SI); kymmeniä tuhansia transistoreja; 1970-luku
• VLSI (Very Large SI); satojatuhansia – miljoona transistoria; 1980-luku (ensimmäinen miljoonan bitin RAM-muisti julkaistiin 1986)
• ULSI (Ultra-Large SI); yli miljoona transistoria
• WSI (Wafer SI); koko mikropiirejä sisältävä kiekko on yksi mikropiiri
• SIP (System in package) toimiva järjestelmä kotelossa (useita tavallisesti erillisiä mikropiirejä)
• SOC (System-on-Chip); Kokonainen järjestelmä samalla mikropiirillä; ks. järjestelmäpiiri.

Muita merkittäviä vaiheita mikropiirien historiassa ovat olleet suurnopeuksiset mikropiirit (VHSIC; Very High Speed IC) 1980- luvulla ja galliumarsenidimikropiirit. Jälkimmäisillä mikropiirien nopeusalue on nostettu useisiin gigahertseihin. Galliumnitridi ja galliumarsenidi ovat käytössä korkean energian laitteissa kuten tutkajärjestelmissä.[26]

1980-luvulta lähtien yksi kehityssuunta on ollut myös ohjelmoitavat logiikkapiirit kuten FPGA-piirit, joiden sisältämien yleiskäyttöisten logiikkaelementtien toiminnallisuus ja niiden väliset kytkennät voidaan ohjelmoida uudelleen. Tämän ansiosta ohjelmoitavalla logiikkapiirillä voi toteuttaa teoriassa minkä tahansa toiminnon siinä missä normaalin mikropiirin toiminnallisuutta ei voi muuttaa valmistuksen jälkeen.

Eri valmistustekniikoita ovat olleet muun muassa PMOS, HMOS, CMOS ja NMOS.

Mikropiirit ovat korvanneet niitä edeltäneet erilliset transistorit, jotka taas ovat korvanneet niitä edeltäneet elektroniputket. Jokainen em. vaihe on merkinnyt:

• komponentin koon pienentymistä
• tarvittavan jännitteen ja tehon pienentymistä
• luotettavuuden parantumista
• yksittäisen komponentin, transistorin hinnan radikaalia pienenemistä.

Mikropiirien käyttö verrattuna transistoreihin teki pienempiä ja nopeampia laitteita sekä lisäsi luotettavuutta ja kulutti vähemmän virtaa.[27] Lisäksi piirien valmistusta voitiin automatisoida, joka teki tietokoneista laajemmin saatavia merkittävästi alemmalla hinnalla.[27] Minitietokoneet ajoittuvat samalle aikakaudelle mikropiirien yleistymiseen.[28]

Nykyaikaisen mikropiirin ja maailman ensimmäinen yleistietokone, 1940- luvun ENIAC:n vertailu antaa kuvaa muutoksen suuruudesta:

• ENIAC muodostui noin 17 500 elektroniputkesta, transistorin edeltäjästä. Nykyisin suurimmissa mikropiireissä on yli 250 000 kertaa enemmän transistoreja.
• ENIAC oli huoneen kokoinen tilarakenne (167 neliömetriä, noin 500 kuutiometriä), modernin mikropiirin aktiivinen pinta-ala on noin tulitikkuaskin kokoinen ja alle millimetrin korkuinen, eli noin 2 miljardia kertaa pienempi.
• ENIAC toimi muutamia tunteja ilman vikaa, mikropiiri vuosikymmeniä, ainakin 100 000 kertaa luotettavammin.
• ENIAC kulutti energiaa 160 000 wattia, nykyisin saman suorituskyvyn mikropiiri tarvitsee energiaa joitain kymmeniä nanowatteja, eli ainakin biljoona kertaa vähemmän.
• ENIAC laski 385 kertolaskua sekunnissa, nykyaikainen mikropiiri useita miljardeja, yli 10 miljoonaa kertaa enemmän.

Mikropiirit ovat mahdollistaneet yhä monimutkaisempien elektronisten laitteiden tekemisen. Mikropiirien kehitys on muun muassa tietokoneiden, henkilökohtaisten tietokoneiden ja matkapuhelimien takana. Kehitys on merkinnyt myös teknisen älykkyyden radikaalia, vallankumouksellista kasvua. Tekninen älykkyys mitattuna tietokoneen teho kertaa tietokoneiden määrä on noin 840 000-kertaistunut maailmassa vuodesta 1960 vuoteen 2000.

• 1960: 5 000 tietokonetta maailmassa, 1999 noin 420 miljoonaa
• 1960: yksi tietokone (PDP-1) 0,1 miljoonaa käskyä sekunnissa, 1999 noin miljardi

Eräitä mikropiirien tyyppejä:[29]

• Asiakaskohtainen mikropiiri (ASIC)
• Radiotaajuusmikropiiri (RFIC)
• Monoliittinen mikroaaltopiiri (MMIC)

IEEE Spectrumin mukaan merkittäviä mikropiirejä:[30]

• Signetics NE555 (1971): kellopiiri, joka pystyi toimimaan myös oskillaattorina
• Texas Instruments TMC0281 (1978): puhesyntetisaattori
• MOS Technology 6502 (1975): mikroprosessori
• Texas Instruments TMS32010 (1983): digitaalinen signaaliprosessori
• Microchip Technology PIC 16C84 (1993): mikrokontrolleri
• Fairchild Semiconductor μA741 (1968): vahvistin
• Intersil ICL8038 (noin 1983): aaltomuotogeneraattori
• Western Digital WD1402A (1971): UART-piiri
• Acorn Computers ARM1 (1985): mikroprosessori
• Kodak KAF-1300 (1986): kuvasensori
• IBM Deep Blue 2 (1997): shakkipiiri
• Transmeta Crusoe (2000): mikroprosessori
• Texas Instruments Digital Micromirror Device (1987): DLP-ohjaus
• Intel 8088 (1979): mikroprosessori
• Micronas Semiconductor MAS3507 (1997): MP3-purkupiiri
• Mostek MK4096 (1973): 4 kilobitin DRAM-piiri
• Xilinx XC2064 (1985): FPGA
• Zilog Z80 (1976): mikroprosessori
• Sun Microsystems SPARC (1987): mikroprosessori
• Tripath Technology TA2020 (1998): audiovahvistin
• Amati Communications Overture (1994): ADSL-yhteyspiiri
• Motorola MC68000 (1979): mikroprosessori
• Chips & Technologies AT-piirisarja (1985): IBM PC/AT-yhteensopiva piirisarja
• Computer Cowboys Sh-Boom (1988): prosessori
• Toshiba NAND Flash-muisti (1989): Flash-muistipiiri

• Tietokone
• Tietokonesimulointi
• Puolijohdeteollisuus
• Digitaalipiirit
• Kirkendall-efekti

• Voutilainen, Vesa; Lesch, Kaj-Birger; Haaksikari, Jorma: Elektroniikka 1 - Analoginen elektroniikka. WSOY, 1989. ISBN 951-0-15259-5.
• Elektroniikka 2 : Digitaalitekniikka