In the article function and further development of extralarge integral microsystems (EIM) are considered. Classifications and meaning of EIM are taken into account, current technologies of microsystem design are analyzed. Current topic is considered as gadgets become smaller, but their productivity is getting much better than the productivity of their ancestors decade ago. Such gradation is possible only with the technologies mentioned in the article.
Key words: microsystem, degree of integration, programmable logic, architecture, step-and-repeat camera
В настоящее время во многих бытовых, вычислительных и прочих приборах используются интегральные схемы,твердотельные устройства, изготовленные на полупроводниковой подложке (пластине или пленке) и помещенные в неразборный корпус. Такие схемы имеют небольшой размер, но большой функционал. Создание первых полупроводниковых интегральных схем (1958–59) и начало их серийного выпуска (1960–61) определили рождениемикроэлектроники.
В наш век, век высоких технологий, интегральные схемы увеличили свой размер и функционал, и чем дальше, тем все сложнее их проектировать, особенно вручную. Необходимо учесть огромное количество связей и переходов с уровня на уровень, именно поэтому автоматизация проектирования ИС стало неотъемлемой составляющей научно-технического прогресса. Проектирование технических объектовбез автоматизации требует чрезмерно больших временных и людских ресурсов. Проекты наиболеесложных объектов, к которым прежде всего относятсябольшие интегральные схемы(БИС), сверхбольшиеинтегральные схемы(СБИС) и вычислительные системы, создаются с обязательным использованием систем автоматизированного проектирования [1, с. 152].
Надо отметить, что БИС и СБИС составляют подавляющее большинство интегральных микросхем, однако далеко не все. Существует классификация микросхем по степени интеграции.
В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (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 [5, электронный ресурс].
В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.
Одним из наиболее используемых элементов СБИС является транзистор на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МОП) Первый транзистор, работающий на эффекте поля, был продемонстрирован в 1960 году. Сначала полевые транзисторы с двуокисью кремния в качестве подзатворного диэлектрика формировались на подложке n- типа проводимости. Затем, из-за большей подвижности электронов, чем у дырок при формировании сверхбольших быстродействующих интегральных схем стали использовать n- канальные транзисторы, формируемые на p- подложке.
Отечественным производителям электронной техники трудно конкурировать с зарубежными фирмами в области массового производства товаров широкого потребления. Однако в области разработки и создания сложной наукоемкой продукции в России сохранились условия, кадры, научный потенциал. Большое число предприятий и учреждений способно разрабатывать уникальные электронные устройства. Высокотехнологичным «сырьем» для таких разработок в области цифровой электроники служат легко доступные на отечественном рынке электронные компоненты: контроллеры, микропроцессоры, СБИС памяти и тд. — все, что позволяет решать задачи специальной обработки сигналов и вычислений программным путем. Микропроцессорная техника давно и прочно укоренилась в отечественных разработках. Однако в последние годы появилась новая элементная база — СБИС программируемой логики (СБИС ПЛ), которая удачно дополняя и заменяя микропроцессорные средства, в ближайшие годы станет «настольным материалом» для разработчиков. СБИС ПЛ оказываются вне конкуренции в областях, где требуется создание высокопроизводительных специализированных устройств, ориентированных на аппаратную реализацию. Аппаратное решение задач обеспечивает распараллеливание процесса и увеличивает производительность в десятки раз по сравнению с программным решением, а использование СБИС ПЛ, в отличие от специализированных СБИС, обеспечивает такую же гибкость реализации, как у любых программных решений. В последние годы динамика развития производства СБИС ПЛ уступает только микросхемам памяти и превышает 50 % в год.
Производители, архитектура и возможности существующих в настоящее время типов СБИС ПЛ разнообразны. Систематизация микросхем гибкой логики производится обычно по следующим классификационным признакам:
‒ степень интеграции (логическая емкость);
‒ архитектура функционального преобразователя;
‒ организация внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей;
‒ тип используемого программируемого элемента;
‒ наличие внутренней оперативной памяти.
Степень интеграции (логическая емкость) — наиболее важная характеристика СБИС ПЛ, по которой осуществляется выбор. Производители СБИС ПЛ стоят на передовых рубежах электронной технологии (текущая рабочая проектная норма составляет 0,25 мкм), и число транзисторов в СБИС ПЛ большой емкости составляет десятки миллионов. Но ввиду избыточности структур, включающих большое число коммутирующих транзисторов, логическую емкость измеряют в эквивалентных логических вентилях типа 2И-НЕ (2ИЛИ-НЕ), которые понадобилось бы для реализации устройств той же сложности, что и на соответствующих СБИС [2, c. 52].
Помимо сложной внутренней организации элементов, сложности их взаимодействия, существует немаловажная часть создания СБИС — физическое изготовление спроектированной конструкции. Для воплощения в жизнь сверхбольшой интегральной микросхемы используется фотопроцесс. Схема формируется на подложке, в большинстве случаев из диоксида кремния, полученного термическим оксидированием кремния. Ввиду малости размера элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосы фотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов и прочих элементов на кристалле. Однако, этот параметр находится во взаимосвязи с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления.
Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескопусном. Бескорпуснаямикросхема — этополупроводниковыйкристалл,предназначенныйдлямонтажав гибридную микросхемуилимикросборку. Корпус — эточастьконструкциимикросхемы,предназначеннаядлязащитыотвнешнихвоздействийи для соединенияс внешнимиэлектрическимицепямипосредствомвыводов.Корпусастандартизованыдля упрощениятехнологическогопроцессаизготовленияизделийизразныхмикросхем.
Вроссийскихкорпусахрасстояниемеждувыводамиизмеряетсяв миллиметрахи наиболеечастоэто2,5мм или1,25мм.У импортныхмикросхемрасстояниеизмеряютв дюймах,используявеличину1/10или1/20 дюйма,чтосоответствует2,54и1,28мм.В корпусахдо16выводовэтаразницанезначительна,а при большихразмерахидентичныекорпусауженесовместимы.В современныхимпортныхкорпусахдляповерхностногомонтажаприменяюти метрическиеразмеры:0,8мм;0,65мми другие [4].
Технология сверхбольших интегральных схем определяет прогресс в передовых областях науки и техники и является основой для развития высокотехнологичных отраслей отечественной промышленности. Она имеет широкий спектр применений: от бытовой аппаратуры до специализированных устройств оборонной техники. Мировой рынок интегральных схем практически неисчерпаем, что позволит создавать высокорентабельные ориентированные на экспорт производства
В настоящее время основная часть производимых интегральных схем в мире соответствует минимальным рабочим размерам элементов 0,8–1,0 мкм. Ведущие зарубежные фирмы США, Японии и Южной Кореи имеют заводы, выпускающие высокопроизводительные микропроцессоры и ультра большие схемы памяти с минимальными размерами 0,5 мкм.
В Казахстане имеются пилотные линии для производства кремниевых интегральных схем с минимальными размерами рабочих элементов 0,8–1 мкм. В ближайшее время будет завершено создание производства схем с размерами элементов на уровне 0,5 мкм. Освоение этих линий позволит Казахстану полностью обеспечить внутреннюю потребность кремниевыми схемами отечественного производства сложностью до сотен тысяч транзисторов на кристалле и выйти на мировой рынок [3].
Создание научно-технического задела в области перспективных технологий и устройств микро и наноэлектроника дает возможность модернизировать производство и расширить объем экспорта отечественных электронных компонентов.
Литература:
- Фонарев А. А. «Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах» — Москва, 1995 г.
- Ершова Н. Ю., Иващенков О. Н., Курсков С. Ю. «Микропроцессоры» — Санкт-Петербург, 2002 г.
- «Энциклопедия по машиностроению XXL», [Электронный ресурс] — http://mash-xxl.info/info/335405/ (дата обращения: 13.08.2016)
- «Большая энциклопедия нефти и газа», [Электронный ресурс] — http://www.ngpedia.ru/id497828p1.html (дата обращения: 10.08.2016)
- «Академик», [Электронный ресурс] — http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1132890 (дата обращения: 8.08.2016)
