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 , generalmente silicio . Un gran número de minúsculos MOSFET ( transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico ) se integran en un pequeño chip. Esto da como resultado circuitos que son órdenes de magnitud más pequeños, más rápidos y menos costosos que los construidos con componentes electrónicos discretos . La producción en masa del ICEl enfoque de capacidad, confiabilidad y bloques de construcción para el diseño de circuitos integrados ha asegurado la rápida adopción de circuitos integrados estandarizados en lugar de diseños que utilizan transistores discretos . Los circuitos integrados se utilizan ahora 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, gracias al pequeño tamaño y al bajo costo de los circuitos integrados.
Los circuitos integrados se hicieron prácticos gracias a los avances tecnológicos en la fabricación de dispositivos semiconductores de óxido de metal-silicio (MOS) . Desde sus orígenes en la década de 1960, el tamaño, la velocidad y la capacidad de los chips han progresado enormemente, impulsados por los avances técnicos que encajan cada vez más transistores MOS en chips del mismo tamaño: un chip moderno puede tener muchos miles de millones de transistores MOS en un mismo tamaño. área del tamaño de una uña humana. Estos avances, siguiendo aproximadamente la ley de Moore , hacen que los chips de computadora de hoy posean millones de veces la capacidad y miles de veces la velocidad de los chips de computadora de principios de la década de 1970.
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 construirse un transistor a la vez. Además, los circuitos integrados empaquetados utilizan mucho menos material que los circuitos discretos. El rendimiento es alto porque los componentes del IC cambian rápidamente y consumen relativamente poca energía debido a su pequeño tamaño y proximidad. La principal desventaja de los circuitos integrados es el alto costo de diseñarlos y fabricar las fotomáscaras necesarias . Este alto costo inicial significa que los circuitos integrados solo son comercialmente viables cuando se anticipan altos volúmenes de producción .
Terminología
Un circuito integrado se define como: [1]
Un circuito en el que todos o algunos de los elementos del circuito están asociados inseparablemente y eléctricamente interconectados de modo que se considera indivisible para los fines de la construcción y el comercio.
Los circuitos que cumplen esta definición se pueden construir utilizando muchas tecnologías diferentes, incluidos transistores de película delgada , tecnologías de película gruesa o circuitos integrados híbridos . Sin embargo, en el uso general, el circuito integrado ha llegado a referirse a la construcción de circuito de una sola pieza originalmente conocida como circuito integrado monolítico , a menudo construido sobre una sola pieza de silicio. [2] [3]
Historia
Un primer intento de combinar varios componentes en un dispositivo (como los circuitos integrados modernos) fue el tubo de vacío Loewe 3NF de la década de 1920. A diferencia de los circuitos integrados, fue diseñado con el propósito de eludir impuestos , ya que en Alemania, los receptores de radio tenían un impuesto que se aplicaba según la cantidad de soportes de tubo que tuviera un receptor de radio. Permitió que los receptores de radio tuvieran un solo soporte de tubo.
Los primeros conceptos de un circuito integrado se remontan a 1949, cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi [4] ( Siemens AG ) [5] presentó una patente para un dispositivo amplificador semiconductor similar a un circuito integrado [6] que muestra cinco transistores en un sustrato común en un arreglo de amplificador de tres etapas . Jacobi dio a conocer los audífonos pequeños y baratos como aplicaciones industriales típicas de su patente. No se ha informado de un uso comercial inmediato de su patente.
Otro de los primeros proponentes del concepto fue Geoffrey Dummer (1909-2002), un científico de radares que trabajaba para el Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa británico . Dummer presentó la idea al público en el Simposio sobre Progreso en Componentes Electrónicos de Calidad en Washington, DC el 7 de mayo de 1952. [7] Dio muchos simposios públicamente para propagar sus ideas e intentó sin éxito construir tal circuito en 1956. Entre 1953 y 1957, Sidney Darlington y Yasuo Tarui ( Laboratorio Electrotécnico ) propusieron diseños de chips similares donde varios transistores podían compartir un área activa común, pero no había aislamiento eléctrico para separarlos entre sí. [4]
El chip de circuito integrado monolítico fue habilitado por las invenciones del proceso plano de Jean Hoerni y el aislamiento de la unión p – n por Kurt Lehovec . El invento de Hoerni se basó en el trabajo de Mohamed M. Atalla sobre pasivación de superficies, así como en el trabajo de Fuller y Ditzenberger sobre la difusión de impurezas de boro y fósforo en silicio, el trabajo de Carl Frosch y Lincoln Derick sobre la protección de superficies y Chih-Tang Sah ' s trabajan en el enmascaramiento de la difusión por el óxido. [8]
Primeros circuitos integrados
Una idea precursora del CI fue crear pequeños sustratos cerámicos (los llamados micromódulos ), [9] cada uno de los cuales contiene un único componente miniaturizado. A continuación, los componentes podrían integrarse y conectarse en una red compacta bidimensional o tridimensional. Esta idea, que parecía muy prometedora en 1957, fue propuesta al Ejército de los Estados Unidos por Jack Kilby [9] y condujo al Programa Micromodule de corta duración (similar al Proyecto Tinkertoy de 1951). [9] [10] [11] Sin embargo, a medida que el proyecto ganaba 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 funcional de un circuito integrado el 12 de septiembre de 1958. [12] En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, [13] Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor ... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". [14] El primer cliente de la nueva invención fue la Fuerza Aérea de EE . UU . [15] Kilby ganó el Premio Nobel de Física en 2000 por su participación en la invención del circuito integrado. [16] Sin embargo, la invención de Kilby fue un circuito integrado híbrido (IC híbrido), en lugar de un chip de circuito integrado monolítico (IC monolítico). [17] El CI de Kilby tenía conexiones de cables externos, lo que dificultaba su producción en masa. [18]
Medio año después de Kilby, Robert Noyce de Fairchild Semiconductor inventó el primer chip IC monolítico verdadero. [19] [18] Era 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 . El IC monolítico de Noyce colocó todos los componentes en un chip de silicio y los conectó con líneas de cobre. [18] El CI monolítico de Noyce se fabricó utilizando el proceso plano , desarrollado a principios de 1959 por su colega Jean Hoerni . Los chips IC modernos se basan en el IC monolítico de Noyce, [19] [18] en lugar del IC híbrido de Kilby. [17]
El Programa Apolo de la NASA fue el mayor consumidor de circuitos integrados entre 1961 y 1965. [20]
Circuitos integrados TTL
La lógica transistor-transistor (TTL) fue desarrollada por James L. Buie a principios de la década de 1960 en TRW Inc. TTL se convirtió en la tecnología de circuito integrado dominante durante la década de 1970 hasta principios de la de 1980. [21]
Docenas de circuitos integrados TTL eran un método estándar de construcción para los procesadores de miniordenadores y ordenadores centrales . Computadoras como las mainframes IBM 360 , las minicomputadoras PDP-11 y la computadora de escritorio Datapoint 2200 se construyeron a partir de circuitos integrados bipolares , [22] TTL o la lógica aún más rápida de acoplamiento de emisor (ECL).
Circuitos integrados MOS
Casi todos los chips IC modernos son circuitos integrados de semiconductores de óxido de metal (MOS), construidos a partir de MOSFET (transistores de efecto de campo de óxido de metal y silicio). [23] El MOSFET (también conocido como transistor MOS), que fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [24] hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad . [25] En contraste con los transistores bipolares que requerían una serie de pasos para el aislamiento de la unión p – n de los transistores en un chip, los MOSFET no requerían tales pasos, pero podían aislarse fácilmente entre sí. [26] Su ventaja para los circuitos integrados fue señalada por Dawon Kahng en 1961. [27] La lista de hitos del IEEE incluye el primer circuito integrado de Kilby en 1958, [28] el proceso plano de Hoerni y el IC plano de Noyce en 1959, y el MOSFET de Atalla y Kahng en 1959. [29]
El primer circuito integrado MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [30] General Microelectronics introdujo más tarde el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, [31] un cambio de 120 transistores. registro desarrollado por Robert Norman. [30] Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . Los chips MOS aumentaron aún más en complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a la integración a gran escala (LSI) con cientos de transistores en un solo chip MOS a fines de la década de 1960. [32]
Tras el desarrollo del MOSFET de puerta autoalineada ( puerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, [33] la primera tecnología MOS IC de puerta de silicio con puertas autoalineadas , la base de todos los circuitos integrados CMOS modernos , fue desarrollado en Fairchild Semiconductor por Federico Faggin en 1968. [34] La aplicación de chips MOS LSI a la computación fue la base de los primeros microprocesadores , ya que los ingenieros comenzaron a reconocer que un procesador de computadora completo podía estar contenido en un un solo chip MOS LSI. Esto llevó a la invención del microprocesador y el microcontrolador a principios de la década de 1970. [32] A principios de la década de 1970, la tecnología de circuitos integrados MOS permitió la integración a muy gran escala (VLSI) de más de 10,000 transistores en un solo chip. [35]
Al principio, las computadoras basadas en MOS solo tenían sentido cuando se requería alta densidad, como calculadoras aeroespaciales y de bolsillo . Las computadoras construidas completamente a partir de TTL, como el Datapoint 2200 de 1970 , eran mucho más rápidas y más potentes que los microprocesadores MOS de un solo chip como el Intel 8008 de 1972 hasta principios de la década de 1980. [22]
Los avances en la tecnología IC, principalmente características más pequeñas y chips más grandes, han permitido que el número de transistores MOS en un circuito integrado se duplique cada dos años, una tendencia conocida como ley de Moore. Moore declaró originalmente que se duplicaría cada año, pero pasó a cambiar el reclamo a cada dos años en 1975. [36] Este aumento de capacidad se ha utilizado para disminuir el costo y aumentar la funcionalidad. En general, a medida que se reduce el tamaño de la función, casi todos los aspectos del funcionamiento de un CI mejoran. El costo por transistor y el consumo de energía de conmutación por transistor disminuye, mientras que la capacidad de memoria y la velocidad aumentan, a través de las relaciones definidas por la escala de Dennard ( escala MOSFET ). [37] Dado que las ganancias en velocidad, capacidad y consumo de energía son evidentes para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrías más finas. A lo largo de los años, los tamaños de los transistores han disminuido de 10s de micrones a principios de la década de 1970 a 10 nanómetros en 2017 [38] con un aumento correspondiente de un millón de veces en transistores por unidad de área. A partir de 2016, las áreas de chip típicas varían desde unos pocos milímetros cuadrados hasta alrededor de 600 mm 2 , con hasta 25 millones de transistores por mm 2 . [39]
La reducción esperada del tamaño de las características y el progreso necesario en áreas relacionadas fue pronosticado durante muchos años por la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS). El ITRS final se emitió en 2016 y está siendo reemplazado por la Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas . [40]
Inicialmente, los circuitos integrados eran dispositivos estrictamente electrónicos. El éxito de los circuitos integrados ha propiciado la integración de otras tecnologías, en un intento por obtener las mismas ventajas de pequeño tamaño y bajo costo. Estas tecnologías incluyen dispositivos mecánicos, ópticos y sensores.
- Los dispositivos de carga acoplada y los sensores de píxeles activos estrechamente relacionados son chips sensibles a la luz . Han reemplazado en gran medida a la película fotográfica en aplicaciones científicas, médicas y de consumo. Miles de millones de estos dispositivos se producen ahora cada año para aplicaciones como teléfonos móviles, tabletas y cámaras digitales. Este subcampo de los circuitos integrados ganó el Premio Nobel en 2009. [41]
- Los dispositivos mecánicos muy pequeños impulsados por electricidad se pueden integrar en chips, una tecnología conocida como sistemas microelectromecánicos . Estos dispositivos se desarrollaron a finales de la década de 1980 [42] y se utilizan 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 de automóviles .
- Desde principios de la década de 2000, la integración de la funcionalidad óptica ( computación óptica ) en chips de silicio se ha buscado activamente tanto en la investigación académica como en la industria, lo que ha dado como resultado la comercialización exitosa de transceptores ópticos integrados basados en silicio que combinan dispositivos ópticos (moduladores, detectores, enrutamiento) con Electrónica basada en CMOS. [43] También se están desarrollando circuitos integrados fotónicos que utilizan luz, utilizando el campo emergente de la física conocido como fotónica .
- También se están desarrollando circuitos integrados para aplicaciones de sensores en implantes médicos u otros dispositivos bioelectrónicos . [44] Deben aplicarse técnicas de sellado especiales en tales entornos biogénicos para evitar la corrosión o biodegradación de los materiales semiconductores expuestos. [45]
A partir de 2018[actualizar], la gran mayoría de todos los transistores son MOSFET fabricados en una sola capa en un lado de un chip de silicio en un proceso plano bidimensional . Los investigadores han producido prototipos de varias alternativas prometedoras, como:
- varios enfoques para apilar varias capas de transistores para hacer un circuito integrado tridimensional (3DIC), como a través de silicio , "3D monolítico", [46] unión de cables apilados, [47] y otras metodologías.
- transistores construidas a partir de otros materiales: transistores de grafeno , transistores de molibdenita , nanotubos de carbono de efecto de campo transistor , galio nitruro de transistor, transistor-como dispositivos electrónicos de nanocables , orgánico de efecto de campo transistor , etc.
- fabricando transistores sobre toda la superficie de una pequeña esfera de silicio. [48] [49]
- modificaciones al sustrato, típicamente para hacer " transistores flexibles " para una pantalla flexible u otros componentes electrónicos flexibles , que posiblemente conduzcan a una computadora desplegable .
A medida que se vuelve más difícil fabricar transistores cada vez más pequeños, las empresas están utilizando módulos de varios chips , circuitos integrados tridimensionales , paquete sobre paquete , memoria de gran ancho de banda y vías de silicio con apilamiento de troqueles para aumentar el rendimiento y reducir el tamaño, sin tener que hacerlo. Reducir el tamaño de los transistores. Estas técnicas se conocen colectivamente como empaquetado avanzado. [50] Los envases avanzados se dividen principalmente en envases 2.5D y 3D. 2.5D describe enfoques como módulos de varios chips, mientras que 3D describe enfoques en los que las matrices se apilan de una forma u otra, como paquete en paquete y memoria de gran ancho de banda. Todos los enfoques involucran 2 o más matrices en un solo paquete. [51] [52] [53] [54] [55] Alternativamente, enfoques como 3D NAND apilan múltiples capas en un solo dado.
Diseño
El costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, normalmente en varias decenas de millones de dólares. [56] [57] Por lo tanto, solo tiene sentido económico producir productos de circuitos integrados con un alto volumen de producción, por lo que los costos de ingeniería no recurrentes (NRE) se distribuyen generalmente entre millones de unidades de producción.
Los chips 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. La automatización del diseño electrónico ( EDA ), también conocida como diseño electrónico asistido por computadora ( ECAD ), [58] es una categoría de herramientas de software para diseñar sistemas electrónicos , incluidos los circuitos integrados. Las herramientas funcionan 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 , [59] digitales [60] y mixtas , [61] que consisten en señalización analógica y digital en el mismo IC.
Los circuitos integrados digitales pueden contener miles de millones [39] de puertas lógicas , flip-flops , multiplexores y otros circuitos en unos pocos milímetros cuadrados. El pequeño tamaño de estos circuitos permite alta velocidad, baja disipación de energía y costos de fabricación reducidos en comparación con la integración a nivel de placa. Estos circuitos integrados digitales, típicamente microprocesadores , DSP y microcontroladores , utilizan álgebra booleana para procesar señales "uno" y "cero" .
Entre los circuitos integrados más avanzados se encuentran los microprocesadores o " núcleos ", utilizados en ordenadores personales, teléfonos móviles, hornos microondas , etc. Los chips de memoria digital y los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) son ejemplos de otras familias de circuitos integrados.
En la década de 1980, se desarrollaron dispositivos lógicos programables . Estos dispositivos contienen circuitos cuya función lógica y conectividad puede ser programada por el usuario, en lugar de ser fijada por el fabricante del circuito integrado. Esto permite programar un chip para realizar varias funciones de tipo LSI, como puertas lógicas , sumadores y registros . La programabilidad viene en varias formas: dispositivos que se pueden programar solo una vez , dispositivos que se pueden borrar y luego reprogramar con luz ultravioleta , dispositivos que se pueden (re) programar mediante memoria flash y matrices de puertas programables en campo (FPGA) que se puede programar en cualquier momento, incluso durante el funcionamiento. Los FPGA actuales pueden (a partir de 2016) implementar el equivalente a millones de puertas y operar a frecuencias de hasta 1 GHz . [62]
Los circuitos integrados analógicos, como sensores , circuitos de administración de energía y amplificadores operacionales ( amplificadores operacionales ), procesan señales continuas y realizan funciones analógicas como amplificación , filtrado activo , demodulación y mezcla .
Los circuitos integrados pueden combinar circuitos analógicos y digitales en un chip para crear funciones como convertidores de analógico a digital y convertidores de digital a analógico . Dichos circuitos de señal mixta ofrecen un tamaño más pequeño y un costo más bajo, pero deben tener en cuenta la interferencia de la señal. Antes de finales de la década de 1990, las radios no se podían fabricar en los mismos procesos CMOS de bajo costo que los microprocesadores. Pero desde 1998, los chips de radio se han desarrollado utilizando procesos RF CMOS . Los ejemplos incluyen el teléfono inalámbrico DECT de Intel o los chips 802.11 ( Wi-Fi ) creados por Atheros y otras compañías. [63]
Los distribuidores de componentes electrónicos modernos a menudo subdividen aún más los circuitos integrados:
- Los circuitos integrados digitales se clasifican en circuitos integrados lógicos (como microprocesadores y microcontroladores ), chips de memoria (como memoria MOS y memoria de puerta flotante ), circuitos integrados de interfaz ( cambiadores de nivel , serializador / deserializador , etc.), circuitos integrados de administración de energía y dispositivos programables. .
- Los circuitos integrados analógicos se clasifican como circuitos integrados lineales y circuitos de RF ( circuitos de radiofrecuencia ).
- Los circuitos integrados de señal mixta se clasifican como circuitos integrados de adquisición de datos (incluidos convertidores A / D , convertidores D / A , potenciómetros digitales ), circuitos integrados de reloj / temporización , circuitos de condensadores conmutados (SC) y circuitos CMOS de RF .
- Los circuitos integrados tridimensionales ( circuitos integrados 3D) se clasifican en circuitos integrados de silicio a través de (TSV) y circuitos integrados de conexión Cu-Cu.
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 , pasando por el germanio y luego el silicio , los materiales se estudiaron sistemáticamente en las décadas de 1940 y 1950. Hoy en día, el silicio monocristalino es el principal sustrato utilizado para los circuitos integrados, 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 mayor velocidad. Se necesitaron décadas para perfeccionar los métodos de creación de cristales con defectos mínimos en la estructura cristalina de los materiales semiconductores .
Semiconductor ICs are fabricated in a planar process which includes three key process steps – photolithography, deposition (such as chemical vapor deposition), and etching. The main process steps are supplemented by doping and cleaning. More recent or high-performance ICs may instead use multi-gate FinFET or GAAFET transistors instead of planar ones, starting at the 22 nm node (Intel) or 16/14 nm nodes.[64]
Mono-crystal silicon wafers are used in most applications (or for special applications, other semiconductors such as gallium arsenide are used). The wafer need not be entirely silicon. Photolithography is used to mark different areas of the substrate to be doped or to have polysilicon, insulators or metal (typically aluminium or copper) tracks deposited on them. Dopants are impurities intentionally introduced to a semiconductor to modulate its electronic properties. Doping is the process of adding dopants to a semiconductor material.
- Integrated circuits are composed of many overlapping layers, each defined by photolithography, and normally shown in different colors. Some layers mark where various dopants are diffused into the substrate (called diffusion layers), some define where additional ions are implanted (implant layers), some define the conductors (doped polysilicon or metal layers), and some define the connections between the conducting layers (via or contact layers). All components are constructed from a specific combination of these layers.
- In a self-aligned CMOS process, a transistor is formed wherever the gate layer (polysilicon or metal) crosses a diffusion layer.
- Capacitive structures, in form very much like the parallel conducting plates of a traditional electrical capacitor, are formed according to the area of the "plates", with insulating material between the plates. Capacitors of a wide range of sizes are common on ICs.
- Meandering stripes of varying lengths are sometimes used to form on-chip resistors, though most logic circuits do not need any resistors. The ratio of the length of the resistive structure to its width, combined with its sheet resistivity, determines the resistance.
- More rarely, inductive structures can be built as tiny on-chip coils, or simulated by gyrators.
Since a CMOS device only draws current on the transition between logic states, CMOS devices consume much less current than bipolar junction transistor devices.
A random-access memory is the most regular type of integrated circuit; the highest density devices are thus memories; but even a microprocessor will have memory on the chip. (See the regular array structure at the bottom of the first image.[which?]) Although the structures are intricate – with widths which have been shrinking for decades – the layers remain much thinner than the device widths. The layers of material are fabricated much like a photographic process, although light waves in the visible spectrum cannot be used to "expose" a layer of material, as they would be too large for the features. Thus photons of higher frequencies (typically ultraviolet) are used to create the patterns for each layer. Because each feature is so small, electron microscopes are essential tools for a process engineer who might be debugging a fabrication process.
Each device is tested before packaging using automated test equipment (ATE), in a process known as wafer testing, or wafer probing. The wafer is then cut into rectangular blocks, each of which is called a die. Each good die (plural dice, dies, or die) is then connected into a package using aluminium (or gold) bond wires which are thermosonically bonded[65] to pads, usually found around the edge of the die. Thermosonic bonding was first introduced by A. Coucoulas which provided a reliable means of forming these vital electrical connections to the outside world. After packaging, the devices go through final testing on the same or similar ATE used during wafer probing. Industrial CT scanning can also be used. Test cost can account for over 25% of the cost of fabrication on lower-cost products, but can be negligible on low-yielding, larger, or higher-cost devices.
As of 2016[update], a fabrication facility (commonly known as a semiconductor fab) can cost over US$8 billion to construct.[66] The cost of a fabrication facility rises over time because of increased complexity of new products; this is known as Rock's law. Such a facility features:
- The wafers up to 300 mm in diameter (wider than a common dinner plate).
- As of 2016[update], 14 nm transistors.[67][needs update]
- Copper interconnects where copper wiring replaces aluminum for interconnects.
- Low-κ dielectric insulators.
- Silicon on insulator (SOI).
- Strained silicon in a process used by IBM known as Strained silicon directly on insulator (SSDOI).
- Multigate devices such as tri-gate transistors.
ICs can be manufactured either in-house by integrated device manufacturers (IDMs) or using the foundry model. IDMs are vertically integrated companies (like Intel and Samsung) that design, manufacture and sell their own ICs, and may offer design and/or manufacturing (foundry) services to other companies (the latter often to fabless companies). In the foundry model, fabless companies (like Nvidia only design and sell ICs and outsource all manufacturing to pure play foundries such as TSMC. These foundries may offer IC design services.
Packaging
The earliest integrated circuits were packaged in ceramic flat packs, which continued to be used by the military for their reliability and small size for many years. Commercial circuit packaging quickly moved to the dual in-line package (DIP), first in ceramic and later in plastic, which is commonly cresol-formaldehyde-novolac. In the 1980s pin counts of VLSI circuits exceeded the practical limit for DIP packaging, leading to pin grid array (PGA) and leadless chip carrier (LCC) packages. Surface mount packaging appeared in the early 1980s and became popular in the late 1980s, using finer lead pitch with leads formed as either gull-wing or J-lead, as exemplified by the small-outline integrated circuit (SOIC) package – a carrier which occupies an area about 30–50% less than an equivalent DIP and is typically 70% thinner. This package has "gull wing" leads protruding from the two long sides and a lead spacing of 0.050 inches.
In the late 1990s, plastic quad flat pack (PQFP) and thin small-outline package (TSOP) packages became the most common for high pin count devices, though PGA packages are still used for high-end microprocessors.
Ball grid array (BGA) packages have existed since the 1970s. Flip-chip Ball Grid Array packages, which allow for a much higher pin count than other package types, were developed in the 1990s. In an FCBGA package, the die is mounted upside-down (flipped) and connects to the package balls via a package substrate that is similar to a printed-circuit board rather than by wires. FCBGA packages allow an array of input-output signals (called Area-I/O) to be distributed over the entire die rather than being confined to the die periphery. BGA devices have the advantage of not needing a dedicated socket and are much harder to replace in case of device failure.
Intel transitioned away from PGA to land grid array (LGA) and BGA beginning in 2004, with the last PGA socket released in 2014 for mobile platforms. As of 2018[update], AMD uses PGA packages on mainstream desktop processors,[69] BGA packages on mobile processors,[70] and high-end desktop and server microprocessors use LGA packages.[71]
Electrical signals leaving the die must pass through the material electrically connecting the die to the package, through the conductive traces (paths) in the package, through the leads connecting the package to the conductive traces on the printed circuit board. The materials and structures used in the path these electrical signals must travel have very different electrical properties, compared to those that travel to different parts of the same die. As a result, they require special design techniques to ensure the signals are not corrupted, and much more electric power than signals confined to the die itself.
When multiple dies are put in one package, the result is a system in package, abbreviated SiP. A multi-chip module (MCM), is created by combining multiple dies on a small substrate often made of ceramic. The distinction between a large MCM and a small printed circuit board is sometimes fuzzy.
Packaged integrated circuits are usually large enough to include identifying information. Four common sections are the manufacturer's name or logo, the part number, a part production batch number and serial number, and a four-digit date-code to identify when the chip was manufactured. Extremely small surface-mount technology parts often bear only a number used in a manufacturer's lookup table to find the integrated circuit's characteristics.
The manufacturing date is commonly represented as a two-digit year followed by a two-digit week code, such that a part bearing the code 8341 was manufactured in week 41 of 1983, or approximately in October 1983.
Propiedad intelectual
The possibility of copying by photographing each layer of an integrated circuit and preparing photomasks for its production on the basis of the photographs obtained is a reason for the introduction of legislation for the protection of layout designs. The Semiconductor Chip Protection Act of 1984 established intellectual property protection for photomasks used to produce integrated circuits.[72]
A diplomatic conference held at Washington, D.C. in 1989 adopted a Treaty on Intellectual Property in Respect of Integrated Circuits,[73] also called the Washington Treaty or IPIC Treaty. The treaty is currently not in force, but was partially integrated into the TRIPS agreement.[74]
National laws protecting IC layout designs have been adopted in a number of countries, including Japan,[75] the EC,[76] the UK, Australia, and Korea. The UK enacted the Copyright, Designs and Patents Act, 1988, c. 48, § 213, after it initially took the position that its copyright law fully protected chip topographies. See British Leyland Motor Corp. v. Armstrong Patents Co.
Criticisms of inadequacy of the UK copyright approach as perceived by the US chip industry are summarized in further chip rights developments.[77]
Australia passed the Circuit Layouts Act of 1989 as a sui generis form of chip protection.[citation needed] Korea passed the Act Concerning the Layout-Design of Semiconductor Integrated Circuits.[citation needed]
Generaciones
In the early days of simple integrated circuits, the technology's large scale limited each chip to only a few transistors, and the low degree of integration meant the design process was relatively simple. Manufacturing yields were also quite low by today's standards. As metal–oxide–semiconductor (MOS) technology progressed, millions and then billions of MOS transistors could be placed on one chip,[78] and good designs required thorough planning, giving rise to the field of electronic design automation, or EDA. Some SSI and MSI chips, like discrete transistors, are still mass-produced, both to maintain old equipment and build new devices that require only a few gates. The 7400 series of TTL chips, for example, has become a de facto standard and remains in production.
Acronym | Name | Year | Transistor count[79] | Logic gates number[80] |
---|---|---|---|---|
SSI | small-scale integration | 1964 | 1 to 10 | 1 to 12 |
MSI | medium-scale integration | 1968 | 10 to 500 | 13 to 99 |
LSI | large-scale integration | 1971 | 500 to 20 000 | 100 to 9999 |
VLSI | very large-scale integration | 1980 | 20 000 to 1 000 000 | 10 000 to 99 999 |
ULSI | ultra-large-scale integration | 1984 | 1 000 000 and more | 100 000 and more |
Small-scale integration (SSI)
The first integrated circuits contained only a few transistors. Early digital circuits containing tens of transistors provided a few logic gates, and early linear ICs such as the Plessey SL201 or the Philips TAA320 had as few as two transistors. The number of transistors in an integrated circuit has increased dramatically since then. The term "large scale integration" (LSI) was first used by IBM scientist Rolf Landauer when describing the theoretical concept;[81] that term gave rise to the terms "small-scale integration" (SSI), "medium-scale integration" (MSI), "very-large-scale integration" (VLSI), and "ultra-large-scale integration" (ULSI). The early integrated circuits were SSI.
SSI circuits were crucial to early aerospace projects, and aerospace projects helped inspire development of the technology. Both the Minuteman missile and Apollo program needed lightweight digital computers for their inertial guidance systems. Although the Apollo Guidance Computer led and motivated integrated-circuit technology,[82] it was the Minuteman missile that forced it into mass-production. The Minuteman missile program and various other United States Navy programs accounted for the total $4 million integrated circuit market in 1962, and by 1968, U.S. Government spending on space and defense still accounted for 37% of the $312 million total production.
The demand by the U.S. Government supported the nascent integrated circuit market until costs fell enough to allow IC firms to penetrate the industrial market and eventually the consumer market. The average price per integrated circuit dropped from $50.00 in 1962 to $2.33 in 1968.[83] Integrated circuits began to appear in consumer products by the turn of the 1970s decade. A typical application was FM inter-carrier sound processing in television receivers.
The first application MOS chips were small-scale integration (SSI) chips.[84] Following Mohamed M. Atalla's proposal of the MOS integrated circuit chip in 1960,[85] the earliest experimental MOS chip to be fabricated was a 16-transistor chip built by Fred Heiman and Steven Hofstein at RCA in 1962.[30] The first practical application of MOS SSI chips was for NASA satellites.[84]
Medium-scale integration (MSI)
The next step in the development of integrated circuits introduced devices which contained hundreds of transistors on each chip, called "medium-scale integration" (MSI).
MOSFET scaling technology made it possible to build high-density chips.[25] By 1964, MOS chips had reached higher transistor density and lower manufacturing costs than bipolar chips.[32]
In 1964, Frank Wanlass demonstrated a single-chip 16-bit shift register he designed, with a then-incredible 120 MOS transistors on a single chip.[84][86] The same year, General Microelectronics introduced the first commercial MOS integrated circuit chip, consisting of 120 p-channel MOS transistors.[31] It was a 20-bit shift register, developed by Robert Norman[30] and Frank Wanlass.[87] MOS chips further increased in complexity at a rate predicted by Moore's law, leading to chips with hundreds of MOSFETs on a chip by the late 1960s.[32]
Large-scale integration (LSI)
Further development, driven by the same MOSFET scaling technology and economic factors, led to "large-scale integration" (LSI) by the mid-1970s, with tens of thousands of transistors per chip.[88]
The masks used to process and manufacture SSI, MSI and early LSI and VLSI devices (such as the microprocessors of the early 1970s) were mostly created by hand, often using Rubylith-tape or similar.[89] For large or complex ICs (such as memories or processors), this was often done by specially hired professionals in charge of circuit layout, placed under the supervision of a team of engineers, who would also, along with the circuit designers, inspect and verify the correctness and completeness of each mask.
Integrated circuits such as 1K-bit RAMs, calculator chips, and the first microprocessors, that began to be manufactured in moderate quantities in the early 1970s, had under 4,000 transistors. True LSI circuits, approaching 10,000 transistors, began to be produced around 1974, for computer main memories and second-generation microprocessors.
Very-large-scale integration (VLSI)
"Very-large-scale integration" (VLSI) development started with hundreds of thousands of transistors in the early 1980s, and, as of 2016, transistor counts continue to grow beyond ten billion transistors per chip.
Multiple developments were required to achieve this increased density. Manufacturers moved to smaller MOSFET design rules and cleaner fabrication facilities. The path of process improvements was summarized by the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), which has since been succeeded by the International Roadmap for Devices and Systems (IRDS). Electronic design tools improved, making it practical to finish designs in a reasonable time. The more energy-efficient CMOS replaced NMOS and PMOS, avoiding a prohibitive increase in power consumption. The complexity and density of modern VLSI devices made it no longer feasible to check the masks or do the original design by hand. Instead, engineers use EDA tools to perform most functional verification work.[90]
In 1986, one-megabit random-access memory (RAM) chips were introduced, containing more than one million transistors. Microprocessor chips passed the million-transistor mark in 1989 and the billion-transistor mark in 2005.[91] The trend continues largely unabated, with chips introduced in 2007 containing tens of billions of memory transistors.[92]
ULSI, WSI, SoC and 3D-IC
To reflect further growth of the complexity, the term ULSI that stands for "ultra-large-scale integration" was proposed for chips of more than 1 million transistors.[93]
Wafer-scale integration (WSI) is a means of building very large integrated circuits that uses an entire silicon wafer to produce a single "super-chip". Through a combination of large size and reduced packaging, WSI could lead to dramatically reduced costs for some systems, notably massively parallel supercomputers. The name is taken from the term Very-Large-Scale Integration, the current state of the art when WSI was being developed.[94]
A system-on-a-chip (SoC or SOC) is an integrated circuit in which all the components needed for a computer or other system are included on a single chip. The design of such a device can be complex and costly, and whilst performance benefits can be had from integrating all needed components on one die, the cost of licensing and developing a one-die machine still outweigh having separate devices. With appropriate licensing, these drawbacks are offset by lower manufacturing and assembly costs and by a greatly reduced power budget: because signals among the components are kept on-die, much less power is required (see Packaging).[95] Further, signal sources and destinations are physically closer on die, reducing the length of wiring and therefore latency, transmission power costs and waste heat from communication between modules on the same chip. This has led to an exploration of so-called Network-on-Chip (NoC) devices, which apply system-on-chip design methodologies to digital communication networks as opposed to traditional bus architectures.
A three-dimensional integrated circuit (3D-IC) has two or more layers of active electronic components that are integrated both vertically and horizontally into a single circuit. Communication between layers uses on-die signaling, so power consumption is much lower than in equivalent separate circuits. Judicious use of short vertical wires can substantially reduce overall wire length for faster operation.[96]
Etiquetado de silicona y graffiti
To allow identification during production most silicon chips will have a serial number in one corner. It is also common to add the manufacturer's logo. Ever since ICs were created, some chip designers have used the silicon surface area for surreptitious, non-functional images or words. These are sometimes referred to as chip art, silicon art, silicon graffiti or silicon doodling.[citation needed]
IC y familias de IC
- The 555 timer IC
- The Operational amplifier
- 7400-series integrated circuits
- 4000-series integrated circuits, the CMOS counterpart to the 7400 series (see also: 74HC00 series)
- Intel 4004, generally regarded as the first commercially available microprocessor, which led to the famous 8080 CPU and then the IBM PC's 8088, 80286, 486 etc.
- The MOS Technology 6502 and Zilog Z80 microprocessors, used in many home computers of the early 1980s
- The Motorola 6800 series of computer-related chips, leading to the 68000 and 88000 series (used in some Apple computers and in the 1980s Commodore Amiga series)
- The LM-series of analog integrated circuits
Ver también
- Chipset
- Integrated injection logic
- Ion implantation
- Microelectronics
- Monolithic microwave integrated circuit
- Multi-threshold CMOS
- Silicon-germanium
- Sound chip
- SPICE
- Chip carrier
- Dark silicon
- Integrated passive devices
- High-temperature operating life
- Thermal simulations for integrated circuits
- Heat generation in integrated circuits
Referencias
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Hans Camenzind invented the 555 timer
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enlaces externos
General
- The first monolithic integrated circuits
- A large chart listing ICs by generic number including access to most of the datasheets for the parts.
- The History of the Integrated Circuit at Nobelprize.org
Patents
- US3,138,743 – Miniaturized electronic circuit – J.S. Kilby
- US3,138,747 – Integrated semiconductor circuit device – R.F. Stewart
- US3,261,081 – Method of making miniaturized electronic circuits – J.S. Kilby
- US3,434,015 – Capacitor for miniaturized electronic circuits or the like – J. . Kilby
Integrated circuit die manufacturing
- IC Die Photography – A gallery of IC die photographs
- Zeptobars – Yet another gallery of IC die photographs