2015 m. balandžio 24 d.

Integrinis Grandynas [I dalis]

Įvadas

Vos prieš šimtmetį, antrosios industrinės revoliucijos laikotarpiu (1850~1918 m.), žmogui išmokus efektyviai apdirbti metalą, atradus elektros energiją bei įsigudrinus ją panaudoti saviems tikslams kaip apšvietimui ar patogiam energijos perdavimui dideliais atstumtais, taip pat tiksliųjų mokslų disciplinų praktiškumo išryškėjimas žmogaus buityje leido dažnam to laikotarpio išsilavinusiam atstovui pareikšti, jog fizikos mokslas jau užbaigtas ir technologinis žmogaus galimybių pažangumas pasiekė savo piką – ribas. Nepaisant to, mokslas niekur nesustojo, žvalūs protai drąsiai kėlė naujas problemas ir jas aktyviai sprendė. Dinamiško mąstymo dėka žmonija pasiekė vadinamąją trečiąją industrinę revoliuciją (1950~1970 m.), geriau žinomą kaip skaitmeninę. Šios revoliucijos didžiausias kaltininkas yra integracinių grandynų technologijos išradimas, įgalinęs kambario ar net pastato dydžio duomenų apdorojimo įrenginius (pirmuosius kompiuterius*) sumažinti iki delno dydžio ir tame pralenkti juos savo sparta  milijonus kartų**.

2015 m. išmanusis tel. Samsung Galaxy S6 Edge milijonus kartų spartesnis už didžiausią vakuuminį kompiuterį AN/FSQ-7

*1947 m. pirmasis kompiuteris ENIAC – 500 Flops;
1957 m. didžiausias vakuuminis kompiuteris AN/FSQ-7  ~5 000 Flops (kainavęs 90 milijardų dolerių);
1964 m. pirmas superkompiuteris CDC 6600 – 3 000 000 Flops;
1976 m. superkompiuteris Cray-1 – 80 000 000 Flops;
1985 m. superkompiuteris Cray-2 – 1 900 000 000 Flops;
1990 m. superkompiuteris ETA-10G – 10 000 000 000 Flops;
**2015 m. išmanusis telefonas Samsung Galaxy S6 Edge (Exynos 7420) – 326 000 000 000 Flops;

(FlopsFLoating-point Operations Per Second – Slankiojo kablelio operacijų per sekundę)


Šio straipsnio tikslas apžvelgti integrinio grandyno (angl. integrated circuit) technologiją, kurios išradimas tiesiogiai įtakojo ir keitė individo sąveikavimą su jį supančia aplinka, jo gyvenimo būdą, t. y. lėmė tolesnę elektronikos, kompiuterijos ir komunikacijos raidą ir sukūrė pamatus informacijos amžiui bei informacinės visuomenės susikūrimui.

Šiame straipsnyje bus bandoma apžvelgti ir atsakyti į šiuos klausimus:
  • Kas yra integrinis grandynas?
  • Kokia šios technologijos istorijos raida?
  • Kokia buvo pirminė ir mūsų dienų šios technologijos pagrindinės funkcijos?
  • Kokia yra integrinių grandynų nauda ir varomoji technologijos jėga?
  • Kas yra Mūro dėsnis ir ar jis vis dar adekvatus?
  • Kokios šios technologijos perspektyvos ateityje?
  • Kaip gaminami integriniai grandynai?

Viršuje išdėstytais klausimais ir bus remiamasi siekiant sudaryti bendrą integracinio grandyno koncepcijos vaizdą aukščiausiame lygmenyje – supažindinti su svarbiausiomis integrinių grandynų savybėmis, jų fabrikavimo technologija, istorijos raida bei panaudojimo galimybėmis.


Straipsnis dėl savo apimties padalytas į tris dalis:
    I dalis apžvelgs integrinio grandyno koncepciją, istorinę raidą ir klasifikaciją;
    II dalis trumpai apibrėš Mūro dėsnį ir integracinio laipsnio didėjimą;
    III dalis nagrinės pagrindinius integrinio grandyno formavimo procesus.



Integrinio grandyno koncepcija

Integrinis grandynas (IG) – tai kertinis akmuo šiuolaikinėje elektronikoje. Integrinį grandyną nesunku atpažinti, tai nedidelio dydžio, dažniausiai juodos spalvos detalė, kurią galima aptikti beveik ant bet kurios elektroninės schemos ir dažnai ne vieną. Integrinis grandynas taip pat vadinamas: puslaidininkinis kristalas su integrine schema, lustas arba tiesiog mikroschema (angl. terminai integrated circuit, monolithic integrated circuit, IC, silicon chip, , microchip, chip, die).

Mikroschema. Korpuso viduje matyti puslaidininkio kristalas – Integrinis grandynas

Aukščiausio lygmens požiūriu IG yra mikroelektronikos gaminys, susidedantis iš daugybės elementų ir komponentų, kurie sumontuoti į nedalomą visumą (puslaidininkio kristalą - lustą) ir atlieka tam tikrą numatytą funkciją. Integrinio grandyno sudedamosios dalys – elementai ir komponentai, ne kas kita kaip tranzistoriai, diodai (aktyvieji elementai-įtaisai), kondensatoriai, ritės ir varžai (pasyvieji elementai-įtaisai), kurie statomi ant plono puslaidininkio (silicio) pamato. Visos IG dalys tankiai išdėliotos ir sujungtos-integruotos į visumą bendram tikslui pasiekti, pvz., tai gali būti: įtampos reguliatorius, variklio valdiklis, programuojamas mikrovaldiklis, mikroprocesorius ir begalė kitų mikroschemų (integruotų grandynų) su savitomis funkcijomis. Kadangi individualios integrinio grandyno dalys yra mikroskopinio dydžio, gautas puslaidininkio monokristalas gali būti vos kelių kvadratinių centimetrų ar net milimetrų dydžio.

Priklausomai nuo elementų skaičiaus puslaidininkinės plokštelės luste, mikroschemas galima suskirstyti į skirtingo integracijos laipsnio – kuo laipsnis didesnis, tuo integrinis grandynas pažangesnis. Integracijos laipsnis, randamas pagal formulę:
čia N – elementų skaičiaus luste, K – integracijos laipsnis, lygus artimiausiam sveikajam skaičiui. Plačiau apie integracijos laipsnio didėjimą integriniuose grandynuose rašoma antroje dalyje.



Integriniai grandynai – skaitmeninė era

Kaip ir daugelis svarbių išradimų, integrinių grandynų idėja nenukrito iš giedro dangaus, mokslininkai ir inžinieriai jau kuris laikas ieškojo būdų šios technologijos realizavimui. Panašų sprendimą į IG dar 1949 metais užpatentavo vokiečių inžinierius Verneris Jakobas (Werner Jacobi), vėliau, 1952 metais, britų radijo inžinierius Džefris Dameris (Geoffrey Dummer) pasiūlė integruoti standartinius elektroninius komponentus į monolitinį puslaidininkio kristalą.
Šios technologijos poreikis atsirado Viljamui Šokliui (William Shockley) ir jo komandai BELL laboratorijoje išradus tranzistorių, pagaminta iš puslaidininkių medžiagų. Naujoji puslaidininkių technologija leido pagaminti tobulesnius elektroninius komponentus (tranzistorius, diodus, varžus, kondensatorius), kurių funkcijos iki tol buvo atliekamos vakuuminių vamzdžių, tik kietosios būsenos puslaidininkiai buvo daug mažesnių matmenų, lengviau ir pigiau gaminami bei atsparesni aplinkos sąlygoms. Dabar elektroniniai komponentai galėjo būti labai maži, o didžiausia įrenginio elektrinio grandyno dalis buvo nerangus laidynas, jungiantis labai mažus puslaidininkių komponentus.
Mikroschema (kairėje), tranzistorius (viduryje) ir vakuuminis vamzdis (dešinė)

Akivaizdu, jog šiam išradimui jau buvo pribręsta, kai 1958 m. nepriklausomai vienas nuo kito panašias integrinio grandyno formavimo technologijas pasiūlė du mokslininkai: Dž. Kilbis (Jack Kilby) iš Texas Instruments kompanijos ir R. Noisas (Robert Noyce) iš Fairchild puslaidininkių korporacijos. Paskutinioji buvo garsiojo Silicio Slėnio inkubatorius. Būtent iš Fairchild pasitraukę mokslininkai ir inžinieriai dėl nesutarimų su vadovaujančiu V. Šokliu įkūrė savo kompaniją (ši grupė talentingų žmonių žinoma kaip išdavikų aštuoniukė; angl. Traitorous eight). Tokių išeivių buvo ne vienas; netrukus jų vis daugėjo, kartu ir įmonių, užsiimančių silicio puslaidininkių gamyba. Šiandien tų kompanijų teritorija apibrėžiama kaip Silicio Slėnis.
Dž. Kilbio pirmasis primityvus integrinis grandynas – germanis priklijuotas prie stiklo plokštelės

Reikia paminėti, jog būtent JAV gynybos departamentas ir astronautikos agentūra NASA – jų ypač pelningi užsakymai – padėjo labai greitai tobulinti integruotų grandynų technologiją (didinti lustų integracijos laipsnį) ir susiformavo pamatus informacinės visuomenės kūrimui.
Integriniai grandynai šiandien naudojami visur – nuo karinės pramonės iki buitinės technikos ir  medicinos. Iš tiesų, šių dienų varomasis integracinių grandynų technologinis variklis yra nebe NASA ar JAV gynybos departamentas, o paprasti informacinės visuomenės nariai, kuriuos kasdien pasiekia vis didesnis srautas informacijos per išmaniuosius elektrinius prietaisus (kompiuteriai, ryšių įranga, telefonai, planšetės ir kt.).

"What we didn't realize then was that the integrated circuit would reduce the cost of electronic functions by a factor of a million to one, nothing had ever done that for anything before" ~ Jack Kilby



IG klasifikacija

Integrinius grandynus galima klasifikuoti ir pagal gamybos technologiją į sluoksninius, hibridinius ir puslaidininkius:
Puslaidininkiniuose integrinio grandyno elementai ir juos jungiantys laidieji takeliai sudaromi vieno puslaidininkio kristalo viduje ir paviršiniame sluoksnyje.
Sluoksniniame integrinio grandyno elementai ir sujungimai sudaryti iš sluoksnių ant dielektriko paviršiaus. Sluoksninės technologijos metodu sudaromi pasyvieji elementai (varžai, ritės ir kondensatoriai).
Hibridinis integrinis grandynas sudaromas iš sluoksninių pasyviųjų elementų (varžų, kondensatorių, ritėms, laidžiųjų takelių bei aikštelių) ir bekorpusinių aktyviųjų komponentų (diodų, tranzistorių, puslaidininkių integriniai grandynai).

Dar vienas galimas integrinio grandyno klasifikavimo būdas yra pagal funkcinę paskirtį:
Analoginiai integriniai grandynai taikomi tolydiems signalams apdoroti, naudojami analoginėje technikoje kaip radioelektronika.
Skaitmeniniai integriniai grandynai taikomi diskretiniams signalams (skaitmeniniams) apdoroti, jų pritaikymas labai platus – nuo paprasčiausių automatizuotų sistemų iki superkompiuterių.

Atsižvelgiant į svarbiausių grandynų elementų tipą (tranzistorių), puslaidininkiniai integriniai grandynai skirstomi į dvipolius (Bi)  ir metalo-oksido-puslaidininkio (MOP) integrinius grandynus.
MOP tranzistoriai yra pranašesni už dvipolius. Jų gamyba paprastesnė nei dvipolių, todėl gaminant adekvačius integrinius grandynus MOP būna mažiau broko. MOP tranzistoriai yra gerokai mažesni, dėl to efektyviau panaudoja lusto plotą ir pasiekia didesnį integracijos laipsnį. MOP tranzistoriai pasižymi didele įėjimo varža, mažesniais triukšmais ir yra atsparesni jonizuojančiai spinduliuotei. Dėl pastarųjų išvardintų savybių, MOP integrinių grandynų vartojama galia yra maža ir jie mažiau kaista. Rezultatas – dauguma (3/4) šiuolaikinių mikroschemų naudoja MOP technologiją.
Atskirą, vieną svarbiausių MOP integrinių grandynų grupę sudaro komplementarieji MOP integriniai grandynai, sutrumpintai vadinamų KMOP (angl. CMOS). Nors KMOP integracinių grandynų gamyba sudėtingesnė ir jų veikimo sparta mažesnė, tačiau jie turi labai svarbų privalumą – šios technologijos mikroschemos grandine teka labai mažos srovės, o tranzistoriaus pusiausvyros būsenoje praktiškai nenaudojama srovė. Todėl KMOP labai efektyvūs kuriant didelio integracinio laipsnio mikroschemas (pvz., mobiliesiems prietaisams). Tai leidžia įrenginiams vartoti mažos galios ir įtampos maitinimo šaltinius.
Praktikoje didelės integracijos grandynai gaminami taikant maišytas Bi-KMOP arba Bi-MOP technologijas, taip išnaudojant abiejų technologijų privalomus.



Kitos šio straipsnio dalys:

    I dalis: Integrinio grandyno koncepcija, istorinė raida ir klasifikacija
    II dalis: Mūro dėsnis ir integracinio laipsnio didėjimas
    III dalis: Integrinio grandyno fabrikavimas


Komentarų nėra:

Rašyti komentarą