Circuito integrado
Definición
Un circuito integrado o circuito integrado monolítico (también conocido como IC , chip o microchip) es un conjunto de circuitos electrónicos en una pequeña pieza plana (o "chip") de material semiconductor, normalmente silicio. La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en un chip pequeño da como resultado circuitos de órdenes de magnitud menores, más baratos y más rápidos que los construidos con componentes electrónicos discretos. La capacidad de producción en masa del IC, la fiabilidad y el enfoque de bloques de construcción para el diseño del circuito ha asegurado la adopción rápida de circuitos integrados estandarizados en lugar de diseños que utilizan transistores discretos. Los circuitos integrados ahora se utilizan en prácticamente todos los equipos electrónicos y han revolucionado el mundo de la electrónica. Las computadoras, los teléfonos móviles y otros electrodomésticos digitales son ahora partes inseparables de la estructura de las sociedades modernas, posibles gracias al pequeño tamaño y el bajo costo de los circuitos integrados.
Los circuitos integrados se hicieron prácticos a partir de los avances tecnológicos de mediados del siglo XX en la fabricación de dispositivos semiconductores. Desde sus orígenes en la década de 1960, el tamaño, la velocidad y la capacidad de los chips han progresado enormemente, impulsados por avances técnicos que se ajustan a más transistores en chips del mismo tamaño: un chip moderno puede tener varios miles de millones de transistores en un área del tamaño de una uña humana. Estos avances, siguiendo más o menos la ley de Moore, hacen que los chips de computadora de hoy en día posean millones de veces la capacidad y miles de veces la velocidad de los chips de computadora de principios de los años setenta.
Los circuitos integrados tienen dos ventajas principales sobre los circuitos discretos: costo y rendimiento. El costo es bajo porque los chips, con todos sus componentes, se imprimen como una unidad mediante fotolitografía en lugar de estar construidos un transistor a la vez. Además, los IC empaquetados usan mucho menos material que los circuitos discretos. El rendimiento es alto porque los componentes del CI cambian rápidamente y consumen relativamente poca potencia debido a su pequeño tamaño y su proximidad. La principal desventaja de los circuitos integrados es el alto costo de diseñarlos y fabricar las fotomáscaras requeridas. Este alto costo inicial significa que los circuitos integrados solo son prácticos cuando se prevén altos volúmenes de producción.
Terminología
Un circuito integrado se define como:
Los circuitos que cumplen esta definición se pueden construir utilizando muchas tecnologías diferentes, incluidos los transistores de película delgada, las tecnologías de película gruesa o los circuitos integrados híbridos. Sin embargo, en el uso general, el circuito integrado se ha referido a la construcción de circuito de una sola pieza, originalmente conocida como circuito integrado monolítico .
Podría decirse que los primeros ejemplos de circuitos integrados incluirían Loewe 3NF. Aunque lejos de ser una construcción monolítica, ciertamente cumple con la definición dada anteriormente.
Invención
Los primeros desarrollos del circuito integrado se remontan a 1949, cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi (Siemens AG) presentó una patente para un dispositivo de amplificación de semiconductores similar a un circuito integrado que muestra cinco transistores en un sustrato común en una disposición de amplificador de 3 etapas. Jacobi dio a conocer audífonos pequeños y baratos como aplicaciones industriales típicas de su patente. No se ha informado de un uso comercial inmediato de su patente.
La idea del circuito integrado fue concebida por Geoffrey Dummer (1909-2002), un científico de radar que trabaja para el Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa británico. Dummer presentó la idea al público en el Simposio sobre el progreso en componentes electrónicos de calidad en Washington, DC, el 7 de mayo de 1952. Dio muchos simposios públicamente para propagar sus ideas e intentó sin éxito construir un circuito de este tipo en 1956.
Una idea precursora para el CI era crear pequeños cuadrados de cerámica (obleas), cada uno con un único componente miniaturizado. Los componentes podrían integrarse y conectarse en una grilla compacta bidimensional o tridimensional. Esta idea, que parecía muy prometedora en 1957, fue propuesta al Ejército de EE. UU. Por Jack Kilby y dio lugar al efímero Programa Micromódulo (similar al Proyecto Tinkertoy de 1951). Sin embargo, a medida que el proyecto estaba ganando impulso, Kilby ideó un diseño nuevo y revolucionario: el IC.
Recién empleado por Texas Instruments, Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con éxito el primer ejemplo integrado de trabajo el 12 de septiembre de 1958. En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor ... en donde todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados. " El primer cliente para la nueva invención fue la Fuerza Aérea de los EE. UU.
Kilby ganó el Premio Nobel de Física en 2000 por su participación en la invención del circuito integrado. Su trabajo fue nombrado IEEE Milestone en 2009.
Medio año después de Kilby, Robert Noyce en Fairchild Semiconductor desarrolló una nueva variedad de circuito integrado, más práctica que la implementación de Kilby. El diseño de Noyce estaba hecho de silicio, mientras que el chip de Kilby estaba hecho de germanio. Noyce atribuyó a Kurt Lehovec de Sprague Electric el principio de aislamiento de unión p-n, un concepto clave detrás del IC. Este aislamiento permite que cada transistor funcione independientemente a pesar de ser partes de la misma pieza de silicio.
Fairchild Semiconductor también fue el hogar de la primera tecnología IC de puerta de silicio con puertas autoalineadas, la base de todos los chips de computadora CMOS modernos. La tecnología fue desarrollada por el físico italiano Federico Faggin en 1968. En 1970, se unió a Intel para desarrollar el primer microprocesador de unidad de procesamiento central (CPU) de un solo chip, el Intel 4004, por el que recibió la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación en 2010. El 4004 fue diseñado por Masatoshi Shima de Busicom y Ted Hoff de Intel en 1969, pero fue el diseño mejorado de Faggin en 1970 lo que lo hizo realidad.
Avances
Los avances en la tecnología IC, principalmente las características más pequeñas y los chips más grandes, han permitido que la cantidad de transistores en un circuito integrado se duplique cada dos años, una tendencia conocida como la ley de Moore. Esta capacidad aumentada se ha utilizado para disminuir el costo y aumentar la funcionalidad. En general, a medida que el tamaño de la característica se reduce, casi todos los aspectos de la operación de un IC mejoran. El costo por transistor y el consumo de energía de conmutación por transistor disminuyen, mientras que la capacidad y la velocidad de la memoria aumentan, a través de las relaciones definidas por la escala de Dennard. Debido a que las ganancias de velocidad, capacidad y consumo de energía son evidentes para el usuario final, existe una competencia feroz entre los fabricantes para utilizar geometrías más finas. A traves de Los años, los tamaños de los transistores han disminuido de 10s de micras a principios de los años setenta a 10 nanómetros en 2017, con el correspondiente aumento de un millón de transistores por unidad de área. A partir de 2016, las áreas de chip típicas van desde unos pocos milímetros cuadrados hasta alrededor de 600 mm, con hasta 25 millones de transistores por mm.
La previsible reducción del tamaño de las características y el progreso necesario en áreas relacionadas fue pronosticada durante muchos años por el International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). El ITRS final se emitió en 2016 y está siendo reemplazado por el Mapa de ruta internacional para dispositivos y sistemas.
Inicialmente, los circuitos integrados eran estrictamente dispositivos electrónicos. El éxito de los circuitos integrados ha llevado a la integración de otras tecnologías, en un intento de obtener las mismas ventajas de tamaño pequeño y bajo costo. Estas tecnologías incluyen dispositivos mecánicos, ópticas y sensores.
- Los dispositivos acoplados a la carga y los sensores de píxeles activos estrechamente relacionados son chips que son sensibles a la luz. Han reemplazado en gran medida la película fotográfica en aplicaciones científicas, médicas y de consumo. Miles de millones de estos dispositivos ahora se producen cada año para aplicaciones como teléfonos celulares, tabletas y cámaras digitales. Este subcampo de IC ganó el Premio Nobel en 2009.
- Muy pequeños dispositivos mecánicos impulsados por electricidad se pueden integrar en los chips, una tecnología conocida como sistemas microelectromecánicos. Estos dispositivos se desarrollaron a fines de la década de 1980 y se usan en una variedad de aplicaciones comerciales y militares. Los ejemplos incluyen proyectores DLP, impresoras de inyección de tinta y acelerómetros y giroscopios MEMS utilizados para desplegar bolsas de aire para automóviles.
- Desde principios de la década de 2000, la integración de la funcionalidad óptica (computación óptica) en chips de silicio se ha perseguido activamente tanto en la investigación académica como en la industria, resultando en la comercialización exitosa de transceptores ópticos integrados basados en silicio que combinan dispositivos ópticos (moduladores, detectores, enrutamiento) con Electrónica basada en CMOS. Los circuitos ópticos integrados también se están desarrollando.
- Los circuitos integrados también se están desarrollando para aplicaciones de sensores en implantes médicos u otros dispositivos bioelectrónicos. Deben aplicarse técnicas especiales de sellado en tales entornos biogénicos para evitar la corrosión o biodegradación de los materiales semiconductores expuestos.
A partir de 2018, la gran mayoría de todos los transistores se fabrican en una sola capa en un lado de un chip de silicio en un proceso planar bidimensional plano. Los investigadores han producido prototipos de varias alternativas prometedoras, como:
- varios enfoques para apilar varias capas de transistores para hacer un circuito integrado tridimensional, como a través de silicio, "3D monolítico", unión de cables apilados, etc.
- transistores construidos con otros materiales: transistores de grafeno, transistores de molibdenita, transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono, transistores de nitruro de galio, dispositivos electrónicos de nanocables transistorizados, transistores de efecto de campo orgánico, etc.
- fabricación de transistores en toda la superficie de una pequeña esfera de silicio.
- modificaciones en el sustrato, por lo general para hacer "transistores flexibles" para una pantalla flexible u otros dispositivos electrónicos flexibles, lo que posiblemente conduzca a una computadora plegable.
Diseño
El costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, normalmente en las múltiples decenas de millones de dólares. Esto solo tiene sentido desde el punto de vista económico si el volumen de producción es alto, por lo que los costos de ingeniería no recurrente (NRE) se distribuyen en típicamente millones de unidades de producción.
Los chips de semiconductores modernos tienen miles de millones de componentes y son demasiado complejos para ser diseñados a mano. Las herramientas de software para ayudar al diseñador son esenciales. Electronic Design Automation ( EDA ), también conocido como Electronic Computer-Aided Design ( ECAD ), es una categoría de herramientas de software para el diseño de sistemas electrónicos, incluidos los circuitos integrados. Las herramientas trabajan juntas en un flujo de diseño que los ingenieros utilizan para diseñar y analizar chips semiconductores completos.
Tipos
Los circuitos integrados se pueden clasificar en señales analógicas, digitales y mixtas (tanto analógicas como digitales en el mismo chip).
Los circuitos integrados digitales pueden contener de uno a mil millones de compuertas lógicas, flip-flops, multiplexores y otros circuitos en unos pocos milímetros cuadrados. El pequeño tamaño de estos circuitos permite alta velocidad, baja disipación de potencia y costos de fabricación reducidos en comparación con la integración a nivel de placa. Estos IC digitales, generalmente microprocesadores, DSP y microcontroladores, funcionan usando álgebra booleana para procesar señales de "uno" y "cero".
Entre los circuitos integrados más avanzados están los microprocesadores o " núcleos ", que controlan todo desde computadoras y teléfonos celulares hasta hornos de microondas digitales. Los chips de memoria digital y los circuitos integrados específicos de aplicaciones (ASIC) son ejemplos de otras familias de circuitos integrados que son importantes para la sociedad de la información moderna.
En la década de 1980, se desarrollaron dispositivos lógicos programables. Estos dispositivos contienen circuitos cuya función lógica y conectividad pueden ser programadas por el usuario, en lugar de ser fijadas por el fabricante del circuito integrado. Esto permite que un solo chip sea programado para implementar diferentes funciones de tipo LSI tales como compuertas lógicas, sumadores y registros. Los dispositivos actuales llamados arreglos de compuertas programables en campo (FPGA) pueden (a partir de 2016) implementar el equivalente de millones de compuertas en paralelo y operar hasta 1 GHz.
Los CI análogos, como los sensores, los circuitos de administración de energía y los amplificadores operacionales, funcionan procesando señales continuas. Realizan funciones como amplificación, filtrado activo, demodulación y mezcla. Los CI analógicos alivian la carga de los diseñadores de circuitos al tener circuitos analógicos diseñados por expertos disponibles en lugar de diseñar un circuito analógico difícil desde cero.
Los IC también pueden combinar circuitos analógicos y digitales en un solo chip para crear funciones como convertidores A / D y conversores D / A. Dichos circuitos de señal mixta ofrecen un tamaño más pequeño y un costo menor, pero deben tener en cuenta cuidadosamente la interferencia de la señal. Antes de fines de la década de 1990, las radios no podían fabricarse en los mismos procesos CMOS de bajo costo que los microprocesadores. Pero desde 1998, se desarrolló una gran cantidad de chips de radio utilizando procesos CMOS. Los ejemplos incluyen el teléfono inalámbrico DECT de Intel o los chips 802.11 (Wi-Fi) creados por Atheros y otras compañías.
Los modernos distribuidores de componentes electrónicos a menudo subcategorizan aún más la gran variedad de circuitos integrados que ahora están disponibles:
- Los circuitos integrados digitales también se subcategorizan como IC lógicos, chips de memoria, circuitos integrados de interfaz (cambiadores de nivel, serializador / deserializador, etc.), circuitos integrados de administración de energía y dispositivos programables.
- Los CI análogos se subcategorizan adicionalmente como CI lineales y CI de RF.
- los circuitos integrados de señal mixta también se subcategorizan como circuitos integrados de adquisición de datos (incluidos convertidores A / D, convertidores D / A, potenciómetros digitales) y circuitos integrados de reloj / temporización.
Fabricación
Fabricación
Los semiconductores de la tabla periódica de los elementos químicos se identificaron como los materiales más probables para un tubo de vacío de estado sólido . Comenzando con el óxido de cobre, procediendo al germanio, luego al silicio, los materiales se estudiaron sistemáticamente en las décadas de 1940 y 1950. Hoy en día, el silicio monocristalino es el sustrato principal utilizado para los CI, aunque algunos compuestos III-V de la tabla periódica como el arseniuro de galio se utilizan para aplicaciones especializadas como LED, láseres, células solares y los circuitos integrados de más alta velocidad. Tomó décadas perfeccionar los métodos de creación de cristales sin defectos en la estructura cristalina del material semiconductor.
Los circuitos integrados de semiconductores se fabrican en un proceso plano que incluye tres etapas clave del proceso: generación de imágenes, deposición y grabado. Los pasos principales del proceso se complementan con el dopaje y la limpieza.
Se usan obleas de silicio monocristalino (o para aplicaciones especiales, silicio en obleas de zafiro o arseniuro de galio) como sustrato . La fotolitografía se usa para marcar diferentes áreas del sustrato a dopar o para tener polisilicio, aislantes o pistas de metal (típicamente aluminio o cobre) depositadas sobre ellos.
- Los circuitos integrados se componen de muchas capas superpuestas, cada una definida por fotolitografía, y normalmente se muestran en diferentes colores. Algunas capas marcan donde varios dopantes se difunden en el sustrato (llamadas capas de difusión), algunos definen dónde se implantan iones adicionales (capas de implante), algunos definen los conductores (capas de polisilicio o metal) y algunos definen las conexiones entre las capas conductoras ( vía o capas de contacto). Todos los componentes se construyen a partir de una combinación específica de estas capas.
- En un proceso CMOS autoalineado, se forma un transistor donde la capa de puerta (polisilicio o metal) cruza una capa de difusión.
- Las estructuras capacitivas, en forma muy similar a las placas conductoras paralelas de un condensador eléctrico tradicional, se forman de acuerdo con el área de las "placas", con material aislante entre las placas. Los condensadores de una amplia gama de tamaños son comunes en los circuitos integrados.
- Las bandas serpenteantes de longitudes variables se usan a veces para formar resistencias en chip, aunque la mayoría de los circuitos lógicos no necesitan resistencias. La relación entre la longitud de la estructura resistiva y su ancho, combinada con su resistividad de lámina, determina la resistencia.
- Más raramente, las estructuras inductivas se pueden construir como pequeñas bobinas en el chip o simuladas por giradores.
Como un dispositivo CMOS solo aprovecha la transición entre estados lógicos, los dispositivos CMOS consumen mucha menos corriente que los dispositivos bipolares.
Una memoria de acceso aleatorio es el tipo más regular de circuito integrado; los dispositivos de mayor densidad son, por lo tanto, recuerdos; pero incluso un microprocesador tendrá memoria en el chip. (Consulte la estructura de matriz normal en la parte inferior de la primera imagen). Aunque las estructuras son intrincadas, con anchos que se han reducido durante décadas, las capas siguen siendo mucho más delgadas que los anchos del dispositivo. Las capas de material se fabrican como un proceso fotográfico, aunque las ondas de luz en el espectro visible no se pueden usar para "exponer" una capa de material, ya que serían demasiado grandes para las características. Por lo tanto, los fotones de frecuencias más altas (típicamente ultravioleta) se usan para crear los patrones para cada capa. Debido a que cada característica es tan pequeña, los microscopios electrónicos son herramientas esenciales para un ingeniero de procesos que podría estar depurando un proceso de fabricación.
Cada dispositivo se prueba antes del empaque utilizando equipos de prueba automatizados (ATE), en un proceso conocido como prueba de obleas, o sondeo de obleas. La oblea se corta en bloques rectangulares, cada uno de los cuales se denomina matriz . Cada dado bueno ( dados en plural , troqueles o troquel ) se conecta luego en un paquete utilizando alambres de unión de aluminio (u oro) que están unidos térmicamente a almohadillas, que generalmente se encuentra alrededor del borde del dado. La unión termosónica fue introducida por primera vez por A. Coucoulas, que proporcionó un medio confiable para formar estas conexiones eléctricas vitales para el mundo exterior. Después del envasado, los dispositivos pasan por pruebas finales en el mismo ATE o similar utilizado durante la prueba de la oblea. También se puede usar la CT industrial. El costo de prueba puede representar más del 25% del costo de fabricación en productos de menor costo, pero puede ser insignificante en dispositivos de bajo rendimiento, más grandes o de mayor costo.
A partir de 2016, una instalación de fabricación (comúnmente conocida como fábrica de semiconductores ) puede costar más de 8 mil millones de dólares para su construcción. El costo de una instalación de fabricación aumenta con el tiempo (la ley de Rock) debido a la mayor complejidad de los productos nuevos. Hoy en día, los procesos más avanzados emplean las siguientes técnicas:
- Las obleas tienen hasta 300 mm de diámetro (más ancho que un plato común).
- A partir de 2016, una fundición de vanguardia puede producir transistores de 14 nm, según lo implementado por Intel, TSMC, Samsung y Global Foundries. El próximo paso, para dispositivos de 10 nm, se espera para 2017.
- Interconexiones de cobre donde el cableado de cobre reemplaza el aluminio por las interconexiones.
- Aisladores dieléctricos de bajo K
- Silicio en el aislador (SOI).
- Silicio deformado en un proceso utilizado por IBM conocido como silicio filtrado directamente en el aislador (SSDOI).
- Los dispositivos Multigate como los transistores tri-gate que fabrica Intel en 2011 en su proceso de 22 nm.
embalaje
Los primeros circuitos integrados fueron empacados en paquetes planos de cerámica, que continuaron siendo utilizados por los militares por su confiabilidad y pequeño tamaño durante muchos años. El embalaje de circuito comercial se movió rápidamente al paquete doble en línea (DIP), primero en cerámica y luego en plástico. En la década de 1980, los conteos de pines de los circuitos VLSI excedieron el límite práctico para el empaquetado DIP, lo que condujo a los arreglos de cuadrículas de pines (PGA) y los paquetes de portadores de chips sin cables (LCC). Los empaques de montaje superficial aparecieron a principios de los 80 y se popularizaron a fines de la década de 1980, utilizando un tono de plomo más fino con derivaciones formadas como ala de gaviota o J-plomo, como lo ejemplifica el paquete de circuito integrado de contorno pequeño (SOIC): ocupa un área de aproximadamente 30-50% menos que un DIP equivalente y es típicamente un 70% más delgado. Este paquete tiene "ala de gaviota"
A finales de la década de 1990, los paquetes de plástico de paquete plano cuádruple (PQFP) y del paquete delgado de contorno pequeño (TSOP) se convirtieron en los más comunes para los dispositivos con conteo alto, aunque los paquetes PGA todavía se usan para microprocesadores de alta gama.
Los paquetes Ball grid array (BGA) existen desde la década de 1970. Los paquetes Flip-chip Ball Grid Array, que permiten una cuenta de clavijas mucho más alta que otros tipos de paquetes, se desarrollaron en la década de 1990. En un paquete FCBGA, la matriz se monta boca abajo (volteada) y se conecta a las bolas del paquete a través de un sustrato de paquete que es similar a una placa de circuito impreso en lugar de cables. Los paquetes FCBGA permiten que una serie de señales de entrada-salida (llamadas Area-I / O) se distribuyan por todo el dado en lugar de estar confinadas a la periferia del dado. Los dispositivos BGA tienen la ventaja de no necesitar un socket dedicado, pero son mucho más difíciles de reemplazar en caso de falla del dispositivo.
Intel pasó de PGA a Land Grid Array (LGA) y BGA a partir de 2004, con el último socket PGA lanzado en 2014 para plataformas móviles. AMD a partir de 2018 utiliza paquetes PGA en procesadores de escritorio convencionales, paquetes BGA en procesadores móviles y microprocesadores de escritorio y servidores de gama alta que usan paquetes LGA.
Las huellas que salen del molde, a través del paquete y dentro de la placa de circuito impreso tienen propiedades eléctricas muy diferentes, en comparación con las señales en el chip. Requieren técnicas de diseño especiales y necesitan mucha más energía eléctrica que las señales confinadas al chip.
Cuando se colocan varios troqueles en un paquete, el resultado es un Sistema en paquete o SiP. Un módulo multi-chip, o MCM, se crea al combinar múltiples matrices en un pequeño sustrato a menudo hecho de cerámica. La distinción entre un gran MCM y un pequeño circuito impreso a veces es confusa.
Etiquetado de chip y fecha de fabricación
La mayoría de los circuitos integrados son lo suficientemente grandes como para incluir información de identificación. Cuatro secciones comunes son el nombre o logotipo del fabricante, el número de pieza, el número de lote de producción de la pieza y el número de serie, y un código de fecha de cuatro dígitos para identificar cuándo se fabricó el chip. Las piezas de tecnología de montaje en superficie extremadamente pequeñas a menudo tienen solo un número utilizado en la tabla de búsqueda del fabricante para encontrar las características del chip.
La fecha de fabricación se representa comúnmente como un año de dos dígitos seguido por un código de semana de dos dígitos, de modo que una parte que lleva el código 8341 se fabricó en la semana 41 de 1983, o aproximadamente en octubre de 1983.
Propiedad intelectual
La posibilidad de copiar fotografiando cada capa de un circuito integrado y preparando fotomáscaras para su producción sobre la base de las fotografías obtenidas es un motivo para la introducción de legislación para la protección de los diseños de disposición. La Ley de protección de microprocesadores de semiconductores de 1984 estableció la protección de la propiedad intelectual para las fotomáscaras utilizadas para producir circuitos integrados.
Se celebró una conferencia diplomática en Washington, DC, en 1989, que adoptó un Tratado sobre Propiedad Intelectual con Respecto a los Circuitos Integrados (Tratado IPIC).
El Tratado sobre Propiedad Intelectual respecto de los Circuitos Integrados, también llamado Tratado de Washington o Tratado IPIC (firmado en Washington el 26 de mayo de 1989) no está actualmente en vigor, pero se integró parcialmente en el Acuerdo sobre los ADPIC.
Las leyes nacionales que protegen los diseños de trazado de IC se han adoptado en varios países, incluidos Japón, la CE, el Reino Unido, Australia y Corea.
Otros desarrollos
Los desarrollos futuros parecen seguir el paradigma multi-microprocesador multi-core, ya utilizado por los procesadores multi-core Intel y AMD. Rapport Inc. e IBM comenzaron a enviar el KC256 en 2006, un microprocesador de 256 núcleos. Intel, tan recientemente como febrero-agosto de 2011, dio a conocer un prototipo, un chip "no comercial" que tiene 80 núcleos. Cada núcleo es capaz de manejar su propia tarea independientemente de los demás. Esto es en respuesta al límite de calor frente a velocidad, que está a punto de alcanzarse utilizando la tecnología de transistores existente (ver: potencia de diseño térmico). Este diseño ofrece un nuevo desafío a la programación de chips. Los lenguajes de programación en paralelo, como el lenguaje de programación de código abierto X10, están diseñados para ayudar con esta tarea.
Generaciones
En los primeros tiempos de los circuitos integrados simples, la gran escala de la tecnología limitaba cada chip a solo unos pocos transistores, y el bajo grado de integración significaba que el proceso de diseño era relativamente simple. Los rendimientos de fabricación también fueron bastante bajos para los estándares actuales. A medida que avanzó la tecnología, millones, luego miles de millones de transistores podrían colocarse en un chip, y los buenos diseños requieren una planificación exhaustiva, dando lugar al campo de la Automatización del Diseño Electrónico, o EDA.
| Nombre | Significación | Año | Número de transistores | Número de puertas lógicas |
|---|---|---|---|---|
| SSI | integración a pequeña escala | 1964 | 1 a 10 | 1 a 12 |
| MSI | integración a mediana escala | 1968 | 10 a 500 | 13 a 99 |
| LSI | integración a gran escala | 1971 | 500 a 20 000 | 100 a 9999 |
| VLSI | integración a gran escala | 1980 | 20 000 a 1 000 000 | 10 000 a 99 999 |
| ULSI | integración a gran escala | 1984 | 1 000 000 y más | 100 000 y más |
SSI, MSI y LSI
Los primeros circuitos integrados contenían solo unos pocos transistores. Los primeros circuitos digitales que contenían decenas de transistores proporcionaban algunas compuertas lógicas, y los primeros IC lineales como el Plessey SL201 o el Philips TAA320 tenían tan solo dos transistores. La cantidad de transistores en un circuito integrado ha aumentado dramáticamente desde entonces. El término "integración a gran escala" (LSI) fue utilizado por primera vez por el científico de IBM Rolf Landauer al describir el concepto teórico; ese término dio lugar a los términos "integración a pequeña escala" (SSI), "integración a mediana escala" (MSI), "integración a muy gran escala" (VLSI) e "integración a gran escala" (ULSI). ) Los primeros circuitos integrados fueron SSI.
Los circuitos de SSI fueron cruciales para los primeros proyectos aeroespaciales, y los proyectos aeroespaciales ayudaron a inspirar el desarrollo de la tecnología. Tanto el misil Minuteman como el programa Apollo necesitaban computadoras digitales livianas para sus sistemas de guía inercial. Aunque la computadora de guía Apollo lideró y motivó la tecnología de circuito integrado, fue el misil Minuteman el que lo forzó a la producción en masa. El programa de misiles Minuteman y varios otros programas de la Armada representaron el mercado total de circuitos integrados de $ 4 millones en 1962, y en 1968, el gasto en defensa y espacio del gobierno de EE. UU. Representó el 37% de la producción total de $ 312 millones.
La demanda del gobierno de EE. UU. Apoyó el naciente mercado de circuitos integrados hasta que los costos cayeron lo suficiente como para permitir que las empresas de IC pudieran penetrar primero en los mercados industriales y, finalmente, en los consumidores. El precio promedio por circuito integrado bajó de $ 50.00 en 1962 a $ 2.33 en 1968. Los circuitos integrados comenzaron a aparecer en los productos de consumo a fines de la década, una aplicación típica es el procesamiento de sonido entre operadores FM en receptores de televisión.
Los primeros chips MOS fueron chips de integración de pequeña escala para satélites de la NASA.
El siguiente paso en el desarrollo de circuitos integrados, realizado a fines de la década de 1960, introdujo dispositivos que contenían cientos de transistores en cada chip, llamados "integración a mediana escala" (MSI).
En 1964, Frank Wanlass demostró un registro de desplazamiento de un solo chip de 16 bits que diseñó, con 120 transistores increíbles (en ese momento) en un solo chip.
Los dispositivos MSI eran atractivos desde el punto de vista económico porque si bien costaban un poco más de producción que los dispositivos SSI, permitían producir sistemas más complejos utilizando placas de circuitos más pequeños, menos trabajo de ensamblaje (debido a la menor cantidad de componentes separados) y una serie de otras ventajas.
Un mayor desarrollo, impulsado por los mismos factores económicos, condujo a la "integración a gran escala" (LSI) a mediados de la década de 1970, con decenas de miles de transistores por chip.
Las máscaras utilizadas para procesar y fabricar SSI, MSI y dispositivos LSI y VLSI tempranos (como los microprocesadores de principios de la década de 1970) se crearon principalmente a mano, a menudo con cinta Rubylith o similar. Para circuitos integrados grandes o complejos (como memorias o procesadores), esto era hecho a menudo por personal de diseño especialmente contratado bajo la supervisión de un equipo de ingenieros, que también, junto con los diseñadores del circuito, inspeccionaban y verificaban la corrección e integridad de cada máscara . Sin embargo, los dispositivos VLSI modernos contienen tantos transistores, capas, interconexiones y otras características que ya no es posible verificar las máscaras o hacer el diseño original a mano. El ingeniero depende de programas de computadora y otras ayudas de hardware para hacer la mayor parte de este trabajo.
Los circuitos integrados como RAM de 1K-bit, chips de calculadora y los primeros microprocesadores, que comenzaron a fabricarse en cantidades moderadas a principios de la década de 1970, tenían menos de 4.000 transistores. Los verdaderos circuitos LSI, que se acercan a los 10.000 transistores, comenzaron a producirse alrededor de 1974, para memorias principales de computadoras y microprocesadores de segunda generación.
Algunos chips SSI y MSI, como los transistores discretos, todavía se producen en serie, tanto para mantener equipos viejos como para construir nuevos dispositivos que requieren solo unas pocas puertas. La serie 7400 de chips TTL, por ejemplo, se ha convertido en un estándar de facto y permanece en producción.
VLSI
El último paso en el proceso de desarrollo, que comenzó en los años ochenta y continuó hasta el presente, fue la "integración a muy gran escala" (VLSI). El desarrollo comenzó con cientos de miles de transistores en la década de 1980, y continúa más allá de los diez mil millones de transistores a partir de 2016.
Se requieren múltiples desarrollos para lograr esta mayor densidad. Los fabricantes cambiaron a reglas de diseño más pequeñas e instalaciones de fabricación más limpias, para que pudieran fabricar chips con más transistores y mantener el rendimiento adecuado. El camino de las mejoras de procesos se resumió en el International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), que desde entonces ha sido reemplazado por el International Roadmap for Devices and Systems (IRDS). Las herramientas de diseño se han mejorado lo suficiente para que resulte práctico terminar estos diseños en un tiempo razonable. Los CMOS reemplazados con CMOS de mayor eficiencia energética y PMOS, evitan un aumento prohibitivo en el consumo de energía.
En 1986, se introdujeron los primeros chips RAM de un megabit, que contenían más de un millón de transistores. Los microprocesadores pasaron la marca de un millón de transistores en 1989 y la marca de mil millones de transistores en 2005. La tendencia continúa en gran medida sin disminuir, con chips introducidos en 2007 que contienen decenas de miles de millones de transistores de memoria.
ULSI, WSI, SOC y 3D-IC
Para reflejar un mayor crecimiento de la complejidad, se propuso el término ULSI que significa "integración a gran escala" para chips de más de 1 millón de transistores.
La integración de Wafer-scale (WSI) es un medio para construir circuitos integrados muy grandes que usan una oblea de silicio completa para producir un único "super-chip". A través de una combinación de tamaño grande y embalaje reducido, WSI podría reducir drásticamente los costos de algunos sistemas, especialmente los supercomputadores paralelos masivos. El nombre se toma del término Integración a muy gran escala, el estado actual de la técnica cuando se estaba desarrollando WSI.
Un sistema en un chip (SoC o SOC) es un circuito integrado en el que todos los componentes necesarios para una computadora u otro sistema se incluyen en un solo chip. El diseño de dicho dispositivo puede ser complejo y costoso, y construir componentes dispares en una sola pieza de silicio puede comprometer la eficiencia de algunos elementos. Sin embargo, estos inconvenientes se compensan con menores costos de fabricación y ensamblaje, y con un presupuesto de energía muy reducido: debido a que las señales entre los componentes se mantienen en la matriz, se requiere mucha menos energía (consulte Embalaje).
Un circuito integrado tridimensional (3D-IC) tiene dos o más capas de componentes electrónicos activos que están integrados tanto vertical como horizontalmente en un solo circuito. La comunicación entre las capas utiliza la señalización en matriz, por lo que el consumo de energía es mucho menor que en circuitos separados equivalentes. El uso juicioso de cables verticales cortos puede reducir sustancialmente la longitud total del cable para una operación más rápida.
Etiquetado de silicio y graffiti
Para permitir la identificación durante la producción, la mayoría de los chips de silicio tendrán un número de serie en una esquina. También es común agregar el logotipo del fabricante. Desde que se crearon los circuitos integrados, algunos diseñadores de chips han utilizado el área de superficie de silicio para obtener imágenes o palabras subrepticias y no funcionales. A veces se los conoce como arte de chip, arte de silicio, grafiti de silicio o garabatos de silicio.
Circuitos integrados y familias IC
- El IC del temporizador 555
- El amplificador operacional 741
- 7400 series TTL bloques lógicos
- Serie 4000, la contraparte CMOS de la serie 7400 (Consulte también serie 74HC00)
- Intel 4004, el primer microprocesador del mundo, que llevó a la famosa CPU 8080 y luego a las PC de IBM 8088, 80286, 486, etc.
- Los microprocesadores MOS Technology 6502 y Zilog Z80, utilizados en muchas computadoras hogareñas de principios de los 80
- La serie Motorola 6800 de chips relacionados con la computadora, lo que lleva a las series 68000 y 88000 (utilizadas en algunas computadoras Apple y en la serie Commodore Amiga de los 80)
- La serie LM de circuitos integrados analógicos