Рассказ о микросхемах

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Самые первые микросхемы были совсем не такими, как сейчас. Они изготав­ливались гибридным способом: на изолирующую подложку напылялись алюминиевые проводники, приклеивались маленькие кристаллики отдельных транзисторов и диодов, малогабаритные резисторы и конденсаторы, и затем все это соединялось в нужную схему тонкими золотыми проволочка­ми— вручную, точечной сваркой. Можно себе предста­вить, какова была цена таких устройств, которые назывались гибридными микросхемами. К гибридным микросхемам относятся и некоторые современ­ные типы — к примеру, оптоэлектронные реле — но, конечно, сейчас выво­ды отдельных деталей уже вручную не приваривают.

Ведущий специалист и один из основателей компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс позднее признавался, что ему стало жалко работников, теряв­ших зрение на подобных операциях, и в 1959-м году он выдвинул идею мик­росхемы — «слайса» или «чипа» (slice — ломтик, chip — щепка, осколок), где все соединения наносятся на кристалл прямо в процессе производства. Одновременно оказалось, что несколько ранее аналогичную идею выдвинул сотрудник Texas Instruments Джек Килби, однако опоздавший Нойс, химик по образованию, разработал детальную технологию изготовления (это была так называемая планарная технология с алюминиевыми межсоединениями, которая часто используется и по сей день). Спор о приоритете между Килби и Нойсом продолжался в течение десяти лет, и в конце концов победила дружба: было установлено считать Нойса и Килби изобретателями микро­схемы совместно. В 2000 году Килби (Нойс скончался в 1990) получил за изобретение микросхемы Нобелевскую премию (одновременно с ним, но за достижения в области оптоэлектроники, ее получил и российский физик Жо­рес Алферов).

clip_image002

Рис. 11.1. Изобретатели микросхемы Роберт Нойс (Robert Noyce, 1927—1990, слева) и Джек Килби (Jack St. Clair Kllby. 1923—2005)

Компания Fairchild Semiconductor в области полупроводниковых технологий стала примерно тем, чем фирма Маркони в области радио или фирма Xerox в области размножения документов. Началось все еще с ее рождением: восемь инженеров, уволившихся в 1957 г. из основанной изобретателем транзистора Уильямом Шокли компании Shockley Semiconductor Labs, обратились к начи­нающему финансисту Артуру Року — единственному, кому их идеи показались интересными. Рок нашел компанию из холдинга Шермана Файрчайлда, кото­рая согласилась инвестировать основную часть из требуемых 1,5 миллиона долларов, и с этого момента принято отсчитывать рождение нового способа финансирования инноващюниых проектов — венчурных (то есть «рисковых») вложений, что в дальнейшем позволило родиться на свет множеству компаний, названия которых теперь у всех н^ слуху.

Следующим достижением Fairchild стало изобретение микросхем Робертом Нойсом, и первые образцы многих используемых и поныне их разновидностей были созданы именно тогда (например, в одном из первых суперкомпьютеров на интефальных схемах, знаменитом ILLIAC IV, были использованы микро­схемы памяти производства Fairchild). А в 1963 г. отдел линейных интеграль­ных схем в ней возглавил молодой специалист по имени Роберт Видлар, кото­рый стал «отцом» интегральных операционных усилителей, основав широко распространенные и поныне серии, начинающиеся с букв ц и LM (мы о нем уже упоминали в главе 9 в связи с интегральными стабилизаторами питания). Логические КМОП-микросхемы (см. главу 15) изобрел в 1963 г. также сотруд­ник Fairchild Фрэнк Вонлас, получивший на них патент № 3 356 858. В 1965 г. знаменитый Гордон Мур, тогда— один из руководителей Fairchild, входивший вместе с Нойсом в восьмерку основателей, сформулировал свой «закон Мура» о том, что производительность и число транзисторов в микро­схемах удваиваются каждые 1,5 года— этот закон фактически соблюдается и по сей день! В 1968 г. Нойс с Муром увольняются из Fairchild и основывают фирму, название которой теперь знает каждый школьник: Intel. Инвестором новой компании стал все тот же Артур Рок. А другой работник Fairchild, Дже­реми Сандерс, в следующем, 1969 г. основывает фирму почти столь же извест­ную, как и Intel — ее «заклятого друга» AMD.

Что же дало использование интегральных микросхем, кроме очевидных пре­имуществ, таких, как миниатюризация схем и сокращение количества опера­ций при проектировании и изготовлении электронных устройств?

Рассмотрим прежде всего экономический аспект. Первым производителям чипов это было еще не очевидно, но экономика производства микросхем от­личается от экономики других производств. Одним из первых, кто понял, как именно нужно торговать микросхемами, был упомянутый во врезке Джереми Сандерс (тогда — сотрудник Fairchild, впоследствии — руководитель компа­нии AMD на протяжении более трех десятилетий).

Пояснить разницу можно на следующем примере. Если вы закажете архитек­тору проект загородного дома, то стоимость этого проекта будет сравнима со стоимостью самого дома. Даже если вы по этому проекту построите сто до­мов, то вы не так уж сильно выгадаете на стоимости каждого — стоимость проекта поделится на сто, но выгода ваша будет измеряться процентами, по­тому что построить дом дешевле, чем стоят материалы и оплата труда рабо­чих, нельзя, а они-то и составляют значительную часть стоимости строитель­ства. В производстве же микросхем все иначе: цена материалов, из которых они изготовлены, в пересчете на каждый «чип» настолько мала, что она со­ставляет едва ли единицы процентов от стоимости конечного изделия. По­этому основная часть себестоимости чипа складывается из стоимости его проектирования и стоимости самого производства, на котором они изготав­ливаются— фабрика для производства полупроводниковых компонентов может обойтись в сумму порядка 2—4 миллиардов долларов. Ясно, что в этой ситуации определяющим фактором стоимости микросхемы будет их количество: обычно, если вы заказываете меньше миллиона экземпляров то с вами даже разговаривать не станут, а если вы будете продолжать настаивать, то один экземпляр обойдется вам во столько же, сколько и весь миллион. Именно массовость производства приводит к тому, что сложнейшие схемы, которые в дискретном виде занимали бы целые шкафы и стоили бы десятки и сотни тысяч долларов, продаются дешевле томика технической документа­ции к ним.

Вторая особенность экономики производства микросхем — то, что их цена мало зависит от сложности. Микросхема простого операционного усилителя содержит несколько десятков транзисторов, микросхема микроконтролле­ра— несколько десятков тысяч, однако их стоимости, по меньшей мере, сравнимы. Эта особенность тоже не имеет аналогов в дискретном мире— с увеличением сложности обычной схемы ее цена растет пропорционально ко­личеству использованных деталей. Фактически единственный фактор, кото­рый ведет к увеличению себестоимости сложных микросхем по сравнению с более простыми (кроме стоимости проектирования) — это процент выхода годных изделий, который может снижаться при увеличении сложности. Если бы не это, то стоимость Core 2 Duo не намного бы превышала стоимость того же операционного усилителя. Однако в Core 2 Duo, извините, несколько де­сятков миллионов транзисторов! Это обстоятельство позволило проектиров­щикам без увеличения стоимости и габаритов реализовать в микросхемах такие функции, которые в дискретном виде было бы реализовать просто не­возможно или крайне дорого.

Кстати, выход годных — одна из причин того, что кристаллы микросхем та­кие маленькие. В некоторых случаях разработчики даже рады бьши бы уве­личить размеры, но тогда резко снижается и выход. Типичный пример такого случая— борьба производителей цифровых фотоаппаратов за увеличение размера светочувствительной матрицы. Матрицы размером с пленочный кадр (24×36 мм) на момент написания этой книги имеют только лучшие (и самые дорогие) модели профессиональных фотокамер.

Но, конечно, тенденция к миниатюризации имеет и другую причину: чем меньше технологические нормы, тем меньше потребляет микросхема и тем быстрее она работает. Простые логические микросхемы КМОП серии 4000В (см. главу 15) выпускали в процессе с технологическими нормами 4 мкм, микропроцессор 18086 — по технологии 3 мкм, и работали они на частотах в единицы, в лучшем случае — десятки мегагерц. Процессор Pentium 4 с ядром Willamette (нормы 0,18 мкм) имел тепловыделение до 72 Вт, а Pentium 4 с ядром Northwood (нормы 0,13 мкм)— всего 41 Вт. В настоящее время мик­ропроцессоры выпускаются по нормам 0,09 мкм и осваивается порог 0,045 мкм, к 2011 году планируется достижение порога в 0,022 мкм (22 нм). Отметьте, что диаметр единичного атома имеет порядок 2—310"^ см, то есть 0,2—0,3 нм, так что по ширине дорожки на кристалле, изготовленном с та­кими нормами, укладывается всего сотня атомов кремния!

Еще одна особенность микросхем — надежность. Дискретный аналог какого-нибудь устройства вроде аналого-цифрового преобразователя содержал бы столько паек, что какая-нибудь в конце концов обязательно оторвалась. Ме­жду тем, если вы эксплуатируете микросхему в штатном режиме, то вероят­ность ее выхода из строя измеряется милионными долями единицы. Это на­столько редкое явление, что его можно практически не учитывать на практике — если у вас сломался какой-то прибор, ищите причину в контак­тах переключателей, в пайка^ внешних выводов, в заделке проводов в разъе­мах — но про возможность выхода из строя микросхемы забудьте. Разумеет­ся, это, повторяю, относится к случаю эксплуатации в штатном режиме — если вы подали на микрофонный вход звуковой карты напряжение 220 В, кo^^eчнo, в первую очередь пострадает именно микросхема. Но сами по себе они практически не выходят из строя никогда.

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты