Главная интегрированная микросхема компьютерной системы к которой подключены

Обновлено: 04.07.2024

Материнская плата (с англ. Motherboard) представляет собой один из важнейших компонентов компьютера, поскольку соединяет практически все устройства, входящие в его состав.

На материнской плате находятся:

Форм-фактор	Размер платы, мм	Примечания
ATX	305 x 244
Mini-ATX	284 x 208	Для малых корпусов
FlexATX	229 x 191	Пром. стандарт
Micro-ATX	244 x 244	Для малых корпусов
Mini-ITX	170 x 170	Для сверхмалых ПК
Nano-ITX	120 x 120	Для сверхмалых ПК

Сравнение форм-факторов материнских плат, которые получили широкое распространение

Материнские платы с форм-фактором ATX (Advanced Technology Extended) устанавливаются в настольные компьютеры с корпусами Full-tower и Mini-tower. Данная плата подходит как для любого пользователя ПК так и для серверов, благодаря чему массово выпускается начиная с 2001 года. На плате можно расположить до 7 разъемов для установки карт расширения.

Рассмотрим основные компоненты материнской платы, каждую из данных позиций рассмотрим более подробно далее.

Основные фирмы, изготавливающие материнские платы: Asus, GigaByte, Micro-Star International (MSI), Foxconn, Asrock, ElitGroup, Palit.

Чипсет. Северный и южный мосты

Разработкой чипсетов для материнских плат занимаются компании: Intel, NVIDIА, AMD, VIА и SIS.

Характерной особенностью северного моста является высокая (по сравнению с южным мостом) скорость обработки данных и обеспечения выполнения большинства вычислений самим процессором. Поэтому на нем смонтировано дополнительное охлаждение: пассивный радиатор или радиатор с активным охлаждением в виде небольшого вентилятора.

Южный мост контролирует работу более медленных устройств, подключение которых происходит с использованием интерфейсов IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio, PCI, PCIe, обеспечивая возможность передачи из них информации к северному мосту. Южный мост также обеспечивает нормальную работу микросхемы BIOS.

В материнских платах для процессоров с разъемом LGA 1155 (то есть для Core i3, Core i5 и некоторых серий Core i7 и Xeon) и со встроенным контроллером памяти, DMI используется для подключения чипсета (PCH) непосредственно к процессору. (Серверные процессоры серии Core i7 для LGA 1366 подсоединяются к чипсета через шину QPI).

Процессоры и их характеристики

Сокеты

Сокет для центрального процессора LGA1150

В зависимости от модели материнской платы разъемы сокетов могут отличаться, из-за чего не каждый тип процессора к ним подойдет. Старые разъемы для процессоров x86 нумерованных в порядке выпуска, обычно одной цифрой (Socket 1-8). Более поздние разъемы обычно обозначались номерами с соответствующим количеством пинов (ножек) процессора (Socket 370-479). Сокеты различаются по размеру, количеству ножек, их виду, например, у производителя процессоров AMD ножки находятся в самом процессоре, а у того же Intel с сокетом 775, ножек на процессоре нет, а находятся они в самом сокете. Еще стоит заметить, что до определенного сокета подходит только определенный вид процессоров, как по производителю, так и по модели процессора. Но бывают исключения. Например, в сокет LGA775 подходит, как процессор Intel Core 2 Duo так и Intel Core Quad. В более новых типах процессоров Intel i5, i6, i7 совсем другой сокет LGA1150, который подойдет только к новейшей серии процессоров Haswell и ее преемника Broadwell. Сокет от фирмы AMD не будет совместим с процессорами от Intel и наоборот.

Современные процессоры используют следующие разъемы:

К основным параметрам, которые влияют на производительность процессору относят:

Тактовая частота;
Частота системной шины;
Кэш-память;
Количество ядер.

Различают кэш 1, 2, 3-го уровней:

Кэш первого уровня является самым быстрым, но при этом его размер очень ограничен. Он работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может проводиться каждый такт. Чаще всего является возможность выполнения нескольких операций чтения / записи одновременно. Латентность (задержка) доступа обычно равна 2-4 тактам ядра. Объем обычно невелик, не более 384 Кбайт;
Кэш второго уровня чуть медленнее, но при этом чуть больше по объему (от 128 Кбайт до 1-12 Мбайт)
Кэш третьего уровня чуть медленнее кэша первого и второго уровней, но все равно значительно быстрее оперативной памяти. Размер кэша третьего уровня достигает 12-24 Мбайт.

Ограниченность объема кэш-памяти объясняется ее высокой себестоимостью из-за сложного процесса производства.

Количество ядер

Многоядерный процессор состоит из двух и более «вычислительных ядер» на одном кристалле. Он имеет один корпус и устанавливается в один разъем на системной плате компьютера, но операционная система воспринимает каждое его вычислительное ядро как отдельный процессор с полным набором вычислительных ресурсов.

Технологический процесс

В 2012 компания Intel объявила о выходе первой волны процессоров нового поколения под названием Ivy Bridge. В первую партию вошли 13 четырехъядерных чипов, выполненных по нормам 22-нм технологического процесса с трехмерными транзисторами Tri-Gate. Новинки распределились между линейками Core i5 и i7. В дальнейшем (2015 г.) эти линейки процессоров были переведены на более современный 14 нм техпроцесс. По планам производителей, следующий, 10-нм техпроцесс планируется к внедрению уже в 2018 году.

Компьютерные шины

Все компоненты, которые размещаются на материнской плате соединяются специальными шлейфами (шинами). Компьютерная шина служит для передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера и представляет собой совокупность сигнальных линий, которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины могут различаться разрядностью, способом передачи сигнала (последовательный или параллельный, синхронный или асинхронный), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя или интерфейсная).

Шины делятся на три группы в зависимости от типа передаваемых данных:

Шина адрес (для адресации данных);
Шина данных (для обмена данными);
Шина управления (для управления данными).

Основные характеристики шины:

Разъемы материнских плат

По всему периметру платы находится большое количество специальных разъемов в виде слотов. Они предназначены для подключения плат расширения.

Внешний вид разъемов PCI и PCIe

Оперативная память используется процессором для кратковременного хранения информации во время выполнения им различных операций. Чем больше программ одновременно открыто и обрабатывается процессором, тем больше оперативной памяти для этого используется.

Для оперативной памяти существуют отдельные разъемы. В результате ее развития и усовершенствований существует несколько типов памяти: DDR1, DDR2, DDR3, DDR4. Чем больше цифра-окончание, тем более продуктивной является память.

Каждая из них имеет свой разъем для подключения, а соответственно каждая материнская плата рассчитана на поддержку только одного ее типа. То есть каждый тип памяти не являются взаимозаменяемыми. На рисунке приведены различия в расположении зазоров в разъемах различных типов оперативной памяти.

Сравнение различных типов оперативной памяти

И последний рассмотренный нами разъем используется для подключения блока питания к материнской плате. Этот разъем практически не изменился со времен появления первой ATX материнской платы. К нему лишь добавили несколько контактов для подачи дополнительного питания к современным мощным процессорам.

Внешний вид нового разъема для подключения питания к материнской плате Внешний вид старого разъема для подключения питания к материнской плате

Персональный компьютер — компьютер (вычислительная машина), предназначенный для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют запросы большого количества людей. Современный персональный компьютер может быть реализован в различных вариантах – настольном (desktop), портативном (notebook), карманном (handheld) и других.

Процессор (от англ. «to process» — «обрабатывать») — это программа или устройство, предназначенные для обработки чего-либо. Является центральным вычислительным элементом любого компьютера, управляет всеми остальными его элементами. Современный микропроцессор — это прямоугольная пластинка из кристаллического кремния. На ее маленькой площади расположены схемы (транзисторы). Пластинка находится в керамическом или пластмассовом корпусе, к которому она подсоединяется посредством золотых проводков. Благодаря такой конструкции процессор легко и надежно подсоединяется к системной плате ПК.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) Оперативная память — это временная память компьютера, которая работает при включенном состоянии компьютера и которая нужна для нормальной работы программ и процессов. Как только вы выключаете компьютер и ли перезагружаете, оперативка стирается (грамотно говорить — обнуляется).

Материнская плата Материнская плата является главной платой интегрированной микросхемы компьютерной системы, к которой подключены другие компоненты, входящие в состав компьютера. Поэтому он является его основной частью и расположен внутри корпуса процессора, где имеются выходы наружу, позволяющие использовать всевозможную периферийную технику и насадки. В материнской плате находятся также незаменимые элементы системы, такие как микропроцессор, оперативная память, слоты расширения или вспомогательная интегральная схема (чипсет). Внутри также установлено микропрограммное обеспечение BIOS, системное программное обеспечение, которое позволяет регулировать и тестировать основные функции аппаратного обеспечения и действует как поддержка нагрузки операционной системы.

Видеокарта Видеокарта – это устройство, которое преобразует изображения из памяти вашего компьютера в видеосигнал для монитора. Если проще, то данное устройство работает с графикой. Видеокарта интересует всех геймеров! Так что если вы любите поиграть в игры на компьютере, то данная статья может пригодиться. Ну или как компьютерный пользователь, может быть Вам будет интересно почитать.

Жесткий диск или Винчестер Жёсткий диск - это постоянное запоминающее устройство компьютера, то есть, его основная функция - долговременное хранение данных. HDD в отличие от оперативной памяти не считается энергозависимой памятью, то есть, после отключения питания от компьютера, а потом как следствие и от жёсткого диска, вся информация, ранее сохранённая на этом накопителе, обязательно сохранится. Получается, что жёсткий диск служит лучшим местом на компьютере для хранения личной информации: файлы, фотографии, документы и видеозаписи, явно будут долго храниться именно на нём, а сохранённую информацию можно будет использовать и в дальнейшем в своих нуждах.

Вентилятор (кулер) В отличие от обычного вентилятора, который прогоняет воздух для общей вентиляции внутри ПК, кулер – это охладительная система, остужающая непосредственно нагревающиеся детали. В основном продаются: Кулер защищает детали от перегрева, который приведет к поломке и их самих, и всей машины. Устанавливается он индивидуально на каждый компонент, что наиболее повержен излишнему нагреву. акая система состоит из вентилятора и радиатора. Питание кулера для компьютера происходит через провода, которые подключаются к специальным контактам блока питания системника.

Блок питания Блок питания — это устройство в задачи которого входит преобразовать сетевое переменное напряжение в постоянное и подать его компонентам компьютера (системной карте, процессору, видеокарте, жесткому диску, оперативной памяти и другим периферийным устройствам). Также блок питания (БП) имеет свойство защитить компьютер от перепадов напряжения. По сути, это инверторная система (относиться к устройствам импульсного типа), которая инвертирует, изменяет сетевое напряжение для разных задач. Выглядит БП, как небольшая коробочка с вентилятором, вставляемая в системный блок.

порт . К персональному компьютеру могут подключаться и другие дополнительные устройства (мышь, принтер, сканер и прочее). Подключение производится через порты — специальные разъемы на задней панели. Порты бывают параллельные (LPT), последовательные (COM) и универсальные последовательные (USB). По последовательному порту информация передается поразрядно (более медленно) по малому числу проводов. К последовательному порту подключаются мышь и модем. По параллельному порту информация передается одновременно по большому числу проводов, соответствующему числу разрядов. К параллельному порту подключается принтер и выносной винчестер. USB-порт используется для подключения широкого спектра периферийных устройств – от мыши до принтера. Также возможен обмен данными между компьютерами.

Монитор Возможность представлять информацию в графическом виде имеет множество преимуществ по сравнению с другими способами, поэтому огромное количество современных электронных устройств имеют дисплей для ее вывода и компьютер не является исключением. Хотя для работы компьютера он не является обязательным элементом и нужен только человеку для удобного взаимодействия с машиной, тем не менее он считается важным компонентом компьютерной системы и его выбору уделяется пристальное внимание. Компьютерный монитор — это устройство для вывода информации с видеокарты в графическом виде, то есть представления ее в визуальной форме. Это может быть интерфейс программы, видео и так далее. Современные компьютерные мониторы формируют изображение растровым способом. Все изображение состоит из множества отдельных маленьких точек (пикселей), настолько маленького размера и расположенные так близко к друг другу, что получаемое изображение человеческий глаз воспринимает цельным.

КЛАВИАТУРА Клавиатура компьютера – элемент персонального компьютера или ноутбука, состоящий из кнопок, основная функция которого заключается в вводе данных. Состоит из расположенных в определенном порядке буквенных, цифровых и дополнительных функциональных клавиш. Простыми словами, клавиатура — это то, с помощью чего вы можете заносить данные в компьютер: набирать текст, вызывать какие-то действия сочетаниями клавиш (к примеру, смена языка печати) и т.п.

МЫШЬ Компьютерная мышь – неотъемлемая часть компьютера. Она дает возможность пользователю управлять курсором, что отображается на экране, при помощи движения самой мыши по поверхности стола. Это средство, при помощи которого мы можем выбирать объекты, находящиеся на экране компьютера, и управлять ими. К таким действиям относятся: копирование, открытие документов, выделение и текста и многое другое. При пользовании компьютером человек практически не выпускает устройство из рук, что доказывает важность данного устройства.

УСТРОЙСТВА ВЫВОДА Это — принтер. Принтер печатает на бумаге изображения и тексты, которые на него выводит компьютер. Принтер — это устройство вывода. Это — звуковые колонки. Звуковые колонки воспроизводят звуки, которые на них выводит компьютер. Звуковые колонки — это устройство вывода. Это — наушники. Наушники воспроизводят звуки, которые на них выводит компьютер. Наушники — это устройство вывода.

УСТРОЙСТВА ВВОДА Это — микрофон. C микрофона компьютер вводит звук в свою память. Микрофон — это устройство ввода. Это — сканер. Сканер позволяет компьютеру вводить тексты и рисунки с бумаги в свою память. Сканер — это устройство ввода. Это — джойстик. Джойстик — устройство ввода команд, хорошо знакомое любителям компьютерных игр. Джойстиком удобно управлять героями игр на экране компьютера.

Интегральная схема – это изделие из микроэлементов с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют ту или иную задачу. Эти схемы могут быть разной сложности и типов – от самых простых до сложнейших.

Используются ИС в создании компьютеров, различной вычислительной техники и другом оборудовании, в том числе промышленном и бытовом. Более подробно о строении, использовании, а также развитии интегральных схем будет рассказано в данной статье. В качестве информационного дополнения, в материале содержатся два подробных видеоролика и один скачиваемые файл о строении ИС.

По научному определению, интегральные микросхемы – это отдельные высокотехнологичные устройства (с огромным количеством электронных компонентов, заключенных в маленьком корпусе), которые выполняют какую-то функцию или действие. Этих функций может быть или одна или несколько. Вот список некоторых основных функций, которые выполняют интегральные микросхемы:

Преобразование сигнала (например, из аналогового в цифровой и обратно).
Обработка сигнала (например, усиление и очистка звука)
Действия вычитания, сложения, умножения и деления сигнала (логические микросхемы)

Интегральные микросхемы представляют собой изделие, выполненное в герметизированном (металлическом, пластмассовом, керамическом, металлокерамическом и так лале) корпусе. Микросхемы бывают различного исполнения (прямоугольные, треугольные, круглые) с разным количеством выводов: от трех (например, на стабилизаторе LM7805, до нескольких сотен на процессорах).

Интегральные микросхемы (и аппаратура на них) обладают неоспоримыми преимуществами:

Высокой технологичностью и надежностью. Ведь все микросхемы производят на специализированных заводах и фабриках с современной технологией производства. На линиях (полностью или частично) автоматизированных. При производстве микросхемы (особенно в юго-восточных странах) применяют и живую рабочую силу, так как это дешевле, чем покупать дорогостоящие линии. Интегральные компоненты позволяют снизить на два-три порядка затраты труда на производство, монтаж и сборку различной аппаратуры. При конструировании и создании такой аппаратуры уменьшается количество разных паяных соединений, которые зачастую являются причиной отказа аппаратуры. Микросхемы являются более надежными, чем дискретные элементы, так как ошибки при монтаже уменьшаются на 3-4 порядка. Легче и намного быстрее запаять интегральные компоненты (например, один логический элемент с 16 выводами), чем паять более 20 дискретных элементов (которые выполняют ту же функцию) с 60 выводами. Только микросхемы обеспечивают надежность систем управления в различных системах управления, в компьютерах, в околоземном пространстве на космических станциях и так далее.
Интегральные компоненты (и аппаратура на них) малогабаритны и имеют маленький вес.
Микросхемы намного сокращают процесс разработки нового изделия (аппарата), так как можно использовать готовые, уже опробованные, миниатюрные блоки и узлы. И поэтому внедрение нового изделия в производство резко сокращается.
Многие интегральные элементы выпускаются массово (например, микросхемы в домашних звонках, в игрушках, в клавиатурах и мышках компьютеров и т. п.). Это намного снижает себестоимость микросхемы и всего изделия в целом.
Интегральные элементы сокращают число комплектующих создаваемого изделия, уменьшают количество проводимых операций, что (в конечном счете) ведет к упрощению организации современного производства.

Будет интересно➡ Все о блоках питания — схема устройства, изготовление своими руками

Микросхемы разделяют на два вида: 1 – полупроводниковые интегральные схемы; 2 – гибридные интегральные схемы.

Полупроводниковые интегральные элементы представляют собой кристалл, в глубине которого выполняют все элементы схемы. Изоляция различных элементов осуществляют с помощью (так называемых) «p-n» переходов.

Транзисторы, диоды, магнитные элементы, конденсаторы более 103 пФ и электролитические выполняют с помощью навесного монтажа. Гибридные интегральные схемы имеют более высокую точность параметров (на один или два порядка выше), чем полупроводниковые аналоги. Количество элементов внутри каждого класса микросхем может достигать несколько тысяч.

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:
малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,
средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,
большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,
сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.

Элемент интегральной схемы

Часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т. д.), причем эта часть выполнена нераздельно от других частей и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент интегральной схемы в отличие от элемента может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения.

По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:

полупроводниковые;
гибридные;
пленочные.

В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.

Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника. В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом применяются различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов. По функциональным признакам интегральные схемы подразделяют на аналоговые (операционные усилители, источники вторичного электропитания и др.) и цифровые (логические элементы, триггеры и т. п.).

Краткая историческая справка

Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большей степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10000 элементов в одном кристалле.

В 1971 г. были разработаны микропроцессоры, а в 1975 г. — интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции (сверхбольшие интегральные схемы, СБИС), содержащие более 10000 элементов в одном кристалле. Полезно отметить, что предельная частота биполярных транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах достигает 15 ГГц и более.

К 2000 г. ожидается появление интегральных схем, содержащих до 100 млн МОП транзисторов в одном кристалле (речь идет о цифровых схемах). Система обозначений. Условное обозначение интегральных микросхем включает в себя основные классификационные признаки.

Первый элемент — цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе. Цифрами 1, 5, 6 и 7 в первом элементе обозначаются полупроводниковые интегральные микросхемы. Гибридным микросхемам присвоены цифры 2, 4 и 8. Пленочные, вакуумные и керамические интегральные микросхемы обозначаются цифрой 3.
Второй элемент, определяющий порядковый номер разработки серии, состоит из двух (от 00 до 99) или трех (от 000 до 999) цифр.
Третий элемент, обозначающий подгруппу и вид микросхемы, состоит из двух букв.
Четвертый элемент, обозначающий порядковый номер разработки микросхемы данной серии, состоит из одной или нескольких цифр.

Будет интересно➡ Делаем лабораторный блок питания своими руками

К этим основным элементам обозначений микросхем могут добавляться и другие классификационные признаки.

Дополнительная буква в начале четырехэлементного обозначения указывает на особенность конструктивного исполнения:

Р — пластмассовый корпус типа ДИП;
А — пластмассовый планарный корпус;
Е — металлополимерный корпус типа ДИП;
С — стеклокерамический корпус типа ДИП;
И — стеклокерамический планарный корпус;
Н — керамический «безвыводной» корпус.

В начале обозначения для микросхем, используемых в условиях широкого применения, приводится буква К.

Серии бескорпусных полупроводниковых микросхем начинаются с цифры 7, а бескорпусные аналоги корпусных микросхем обозначаются буквой Б перед указанием серии.

Через дефис после обозначения указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения:

1 — с гибкими выводами;
2 — с ленточными (паучковыми) выводами, в том числе на полиамидном носителе;
3 — с жесткими выводами;
4 — на общей пластине (неразделенные);
5 — разделенные без потери ориентировки (наклеенные на пленку);
6 — с контактными площадками без выводов.

Как создаются интегральные схемы?

Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.

Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих

Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:

Но технически всё сложнее, особенно когда дело касается определенных элементов середины таблицы Менделеева (группы 14 и 15), в частности, кремния и германия. Что примечательно — материалы изоляторы способны переходить в разряд проводников, если к этим материалам добавить некоторое количество примесей. Процесс, известный как легирование.

Принцип легирования химических элементов

Если добавить некоторое количество сурьмы кремнию, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Обеспечивается проводимость электричества. Кремний, «легированный» подобным образом, приобретает характеристику N-типа. В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своеобразные «дыры», которые функционируют подобно «отрицательно заряженным электронам».

Благодаря «дырам» положительный электрический ток пропускается в противоположном направлении. Такая разновидность кремния характеризуется P-типом. Расположение областей кремния N-типа и P-типа рядом одна с другой, способствует созданию соединения, где отмечается поведение электронов, характерное для электронных компонентов на основе полупроводников:

диодов,
транзисторов,
запоминающих устройств и других.

Структурная интегральная схема внутри чипа

Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.

Будет интересно➡ Что такое элементная база и где она применяется

Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.

Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.

Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.

Кто создал интегральную схему?

Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.

Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.

Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, ммикрочип (англ. microchip, silicon chip, chip — тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

-толстоплёночная интегральная схема;

-тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема (также микросборка) — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные(толстоплёночные)пассивные элементы размещённые на поверхности кристалла.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции, разная для цифровых и аналоговых микросхем (указано количество элементов для цифровых схем):

-малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

-средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

-большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,

-сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле,

-ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле,

-гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления

Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

-толстоплёночная интегральная схема;

-тонкоплёночная интегральная схема.

Вид обрабатываемого сигнала

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В — логической единице; а для микросхем ЭСЛ-логики при наприяжении питания −5,2 В диапазон −0,8…−1,03 В — логической единице, а −1,6…−1,75 В — логическому нулю.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов.

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы.

В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

-МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

-КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

-РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

-ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

-ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

-ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

-ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие;

-ИИЛ — интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света, и даже ближнего ультрафиолета, при засветке давно отказались.

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления.

В 1970-х годах минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, в 1980-х был уменьшен до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы фотолитографического оборудования рентгеновского диапазона обеспечивали минимальный размер 0,18 мкм.

В 1990-х годах, из-за нового витка «войны платформ», экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 1990-х процессоры (например, ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм (500—600 нм). Потом их уровень поднялся до 250—350 нм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+, Athlon) уже делали по технологии 180 нм.

В конце 1990-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с минимальным контролируемым размером около 80 нм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. По состоянию на 2009 год технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 90 нм.

Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 45 нм. Есть и другие микросхемы, давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности, видеопроцессоры и флеш-память фирмы Samsung — 40 нм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы Intel по переходу на уровень 30 нм уже к 2006 году так и не сбылись.

По состоянию на 2009 год альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 32 нм.

В 2010-м в розничной продаже уже появились процессоры, разработанные по 32-х нм тех. процессу.

Ожидается, что, следующим, наверное, будет тех. процесс 22 нм.

Здесь действителен Закон Мура (Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца).

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).

Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители.

Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.

Микросхемы управления импульсных блоков питания.

Различные датчики (например, температуры).

(Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

Микросхемы и модули памяти

ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы

Они имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.

Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Аналогово-цифровые схемы

цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).

Модуляторы и демодуляторы.

Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

Приёмники цифрового ТВ

Сенсор оптической мыши

Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.

Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.

Бескорпусная микросхема — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтаж на печатную плату). Корпус микросхемы — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями.

В российских корпусах расстояние между выводами (шаг) измеряется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 мм и 1,25 мм. У импортных микросхем шаг измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах (20 и более выводов) соответствующие корпуса уже достаточно конструктивно несовместимы: для штыревых выводов — обламывание выводов при монтаже, для планарных — спайка соседних.

В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Пример корпусной микросхемы:

Назначение выводов микросхемы К174УН7:
1 — питание (+ Un);
4 — вольтодобавка, питание (+Un);
5—коррекция;
6—обратная связь;
7—фильтр;
8—вход;
9— общий (— Un);
10—эмиттер выходного каскада;
12—выход.

Специфические названия микросхем

Фирма Intel первой изготовила микросхему, которая выполняла функции микропроцессора (англ. microproccessor) — Intel 4004. На базе усовершенствованных микропроцессоров 8088 и 8086 фирма IBM выпустила свои известные персональные компьютеры).

Микропроцессор формирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи с периферией выполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет). Для первых ЭВМ число микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из двух-трёх микросхем. В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в процессор.

Микропроцессоры со встроенными ОЗУ и ПЗУ, контроллерами памяти и ввода-вывода, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами. Примерами могут служить современные процессоры Intel со встроенными контроллерами ОП, видео и т.д.

Читайте также: