Элементную базу как аналоговой, так и цифровой аппаратуры в настоящее время обеспечивают интегральная и функциональная микроэлектроника. Как следствие – малые габариты, низкая стоимость и высокая надежность производимых изделий, экономичность потребления энергии.
Изделиями интегральной микроэлектроники являются интегральные микросхемы (интегральные схемы – ИС).
ИС – это микроэлектронное устройство, рассматриваемое как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов и компонентов, эквивалентных элементам обычной схемы.
Микроэлектронное устройство – устройство, изготовленное методами микроэлектронной технологии, для которых характерны:
- интеграция технологических процессов формирования
всех или почти всех элементов и устройства в целом;
- непрерывность технологического цикла изготовления микросхемы;
- групповой метод получения на одном основании множества микросхем.
Элемент микросхемы формируется нераздельным от основания. Он не может рассматриваться как самостоятельное изделие. Компонент изготовляется отдельно и затем устанавливается на основание микросхемы в процессе ее изготовления. В качестве основания микросхемы может использоваться полупроводниковая подложка (полупроводниковые ИС: биполярные, МДП-ИС) или пластина диэлектрика (гибридные ИС).
Характеристикой сложности ИС является степень интеграции. Она может оцениваться числом базовых логических элементов (вентилей) или числом транзисторов на кристалле. По степени интеграции различают:
-малые интегральные схемы (МИС), содержащие до 100 элементов и компонентов включительно;
-средние интегральные схемы (СИС), объединяющие от 100 до 1000 элементов и компонентов;
-большие интегральные схемы (БИС) с числом элементов и компонентов от 1000 до 100000;
-сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие свыше 100000 элементов и компонентов.
Интегральная микроэлектроника прошла большой путь развития от МИС начала 60-х годов (10-30 элементов на кристалле) через СИС и БИС до современных СБИС с миллионами и десятками миллионов элементов на кристалле.
Все указанные категории ИС находят практическое применение.
МИС реализуют простейшие логические преобразования. Они могут иметь самостоятельное применение или служить универсальной основой для построения более сложных цифровых устройств.
СИС могут представлять в готовом виде дешифраторы, сумматоры, счетчики и многие другие устройства, номенклатура которых может исчисляться сотнями.
Высокая степень интеграции БИС и СБИС позволяет воплощать в них достаточно сложные логически законченные устройства с относительно малым числом выводов у корпуса, выполняющие вполне самостоятельные функции. Это могут быть универсальные микропроцессоры, спецпроцессоры различного назначения, микроконтроллеры, интерфейсные схемы, схемы динамической и статической памяти и многое другое.
Цифровая система обработки информации, построенная на базе универсального микропроцессора, содержит, помимо стандартных устройств (процессора, памяти), некоторые нестандартные блоки, обеспечивающие ориентацию системы на решение поставленных задач. Такие блоки, как правило, реализуются с применением МИС и СИС. Это приводит к росту числа корпусов, усложнению монтажа, снижению быстродействия и надежности системы. Избежать отмеченных недостатков можно, воплотив систему в специализированной СБИС. Однако это потребует значительных материальных и временных затрат на проектирование СБИС.
Создание специализированных БИС и СБИС с жесткой логикой неизбежно ведет к росту номенклатуры изделий, что при больших затратах на их проектирование и небольших объемах производства оказывается чрезвычайно неэффективным. Ключ к разрешению данной проблемы – это уход от аппаратной специализации микросхем к программной, т.е. создание и использование СБИС с программируемой логикой.
Классификация цифровых ИС с точки зрения методов проектирования представлена на рис.1.3.
Стандартные микросхемы – это, в первую очередь, МИС и СИС, производимые массовыми тиражами и реализующие типовые элементы и узлы, функциональное назначение которых не определяется запросами конкретного потребителя. Это также
БИС и СБИС, реализующие в законченном виде микропроцессоры (МП), микроконтроллеры (МК) и запоминающие устройства (ЗУ), используемые в более сложных системах. Это БИС и СБИС программируемой логики (БИС и СБИС ПЛ), которые с точки зрения изготовителя представляют собой стандартные изделия. Среди них программируемые логические матрицы (ПЛМ или PLA, Programmable Logic Array), программируемая матричная логика (ПМЛ или PAL, Programmable Array Logic), Complex Programmable Logic Devices (CPLD), Field Programmable Gate Arrays (FPGA), схемы комбинированной архитектуры (FLEX, Flexible Logic Element MatriX), схемы-системы (SOC, Systems On Chip).
Специализированные ИС – это микросхемы, структура которых каким-либо способом приспосабливается к требованиям конкретного проекта. Среди них различают заказные и полузаказные. Заказные ИС в свою очередь подразделяются на полностью заказные и построенные на стандартных ячейках.
Полностью заказные схемы проектируются «с нуля», от уровня схемных элементов (транзисторов, сопротивлений и т.п.).
При этом разрабатывается весь комплект фотошаблонов, что требует значительных материальных и временных затрат.
Схемы на стандартных ячейках формируются из фрагментов, представляющих собой известные (стандартные) схемные решения с отлаженными характеристиками. При этом требуемый комплект фотошаблонов, хотя и полный, изготавливается проще, в условиях меньшей свободы поиска проектных решений. Поэтому показатели по таким критериям, как площадь кристалла, быстродействие, могут быть хуже, но время разработки экономится примерно в два раза.
Полузаказные ИС – это адаптированные к требованиям конкретного проекта базовые матричные кристаллы (БМК). Реализация их требует малого числа фотошаблонов, связанных с трассировкой межсоединений, что экономит время проектирования в 3-4 раза по сравнению с полностью заказными схемами. Однако, из-за жестких топологических ограничений менее рационально используется площадь кристалла, длины связей оказываются не минимальными и быстродействие не максимальным.
Как специализированные рассматриваются также стандартные БИС и СБИС ПЛ, запрограммированные на выполнение требований конкретного проекта заказчика.
Интегральная микроэлектроника использует принципы интеграции и микроминиатюризации элементов (активных и пассивных) дискретной электроники, исходя из разработанной по законам теории цепей электрической схемы. Усложнение функций ИС приводит к росту числа ее элементов и межэлементных соединений, а значит к повышению степени интеграции схемы, уменьшению размеров ее элементов. Однако, существуют технологические пределы линейных размеров элементов, обусловленные физическими ограничениями (например, для транзисторов 0,05мкм). Кроме того, возникают проблемы паразитных влияний, отвода тепла. Остро встают вопросы экономической целесообразности.
Функциональная микроэлектроника, обеспечивая конструктивно-технологическую базу электронной вычислительной аппаратуры, реализует принципиально отличный подход, основанный на использовании физических явлений в твердом теле. Он заключается в придании локальному объему твердого тела определенных свойств, обеспечивающих выполнение заданной функции посредством механизмов того или иного физического явления. Данный подход использует не схемотехнические, а физические принципы интеграции, исключая необходимость представления желаемой функции эквивалентной электрической схемой.
Функциональная микроэлектроника может использовать следующие физические явления и эффекты.
Оптические явления в твердом теле. Их свойства обусловлены такими свойствами светового потока, как однонаправленность, двухмерность, зарядовая нейтральность, отсутствие электрических контактов, высокая несущая частота и др. Исследованием и практическим использованием этих свойств занимается область функциональной микроэлектроники – оптоэлектроника.
Оптоэлектронный прибор – это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно. Элементы оптоэлектронного устройства оптически связаны, но электрически изолированы друг от друга. Это упрощает согласование высоковольтных и низковольтных, высокочастотных и низкочастотных цепей. Световые потоки могут нести большую функциональную нагрузку. Это обеспечивается возможностью управления многими параметрами: амплитудой, частотой, фазой, направлением, поляризацией.
Акустоэлектроника - это направление функциональной микроэлектроники, занимающееся преобразованием акустических сигналов в электрические и обратно. Оно базируется на использовании механических резонансных эффектов, пьезоэлектрического эффекта, законов взаимодействия электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале.
Магнетоэлектроника – это направление функциональной микроэлектроники, связанное с исследованием новых магнитных материалов, характеризующихся малой намагниченностью насыщения. Прикладное направление – разработка технологий получения тонких магнитных пленок для использования в микроэлектронных запоминающих устройствах, обладающих малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием и надежностью.
Молекулярная электроника – область микроэлектроники, занимающаяся проблемами организации функциональных электронных элементов и устройств на уровне отдельных молекул и их комплексов.
Биоэлектроника – это направление бионики, связанное с изучением нервной системы живых организмов и применением результатов для разработки новых устройств радиоэлектронной аппаратуры.
Криоэлектроника – направление электроники, основные задачи которого состоят в исследовании взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах и создание новых приборов на основе получаемых результатов.
