Основной элементной базой современной дискретной техники является интегральная микроэлектроника. Переход к интегральным схемам (ИС) существенно изменил способы построения электронной аппаратуры, поскольку изделия микросхемотехники представляют собой законченные функциональные узлы.
Показателем сложности ИС служит степень интеграции – количество элементов на кристалле. Высокая степень интеграции обуславливает следующие важные характеристики современной аппаратуры:
¾ Обеспечивает высокую надежность устройства, которая зависит от надежности используемых компонент и их количества. Надежность ИС приблизительно такая же, как у отдельного транзистора (материалы, технология и количество операций при изготовлении приблизительно одинаковые), но количество компонент в составе устройства при использовании ИС высокой интеграции требуется значительно меньше. Пример: высочайшая надежность ПК (наработка на отказ свыше 50 лет), который выполнен на нескольких больших ИС, из которых каждая содержит миллионы транзисторов. Сравните с надежностью транзисторных ЭВМ второго поколения, содержащих транзисторов меньше, чем в современном ПК, но наработка на отказ у которых составляла всего лишь десятки часов;
¾ Высокое быстродействие ИС обусловлено за счет замены внешних, по отношению к ИС связей, обладающих значительными паразитными параметрами, связями на кристалле;
¾ Высокая помехоустойчивость, так как принимаются специальные меры по защите элементов внутри кристалла влиянию наводок и помех;
¾ Габариты и вес малы и обусловлены корпусом ИС, а не кристаллом;
¾ Стоимость ИС чаще всего обусловлена сложностью корпуса ИС (количества выводов). Стоимость кристалла обычно составляет единицы процентов от общей стоимости ИС. Цена микроконтроллера (количество транзисторов тысячи – десятки тысяч) в дешевом корпусе (8-20 выводов) сопоставима со стоимостью ИС малой интеграции и дискретного транзистора;
¾ Простота проектирования аппаратуры на ИС, малые затраты времени и средств на разработку и производство.
Приняты следующие качественные критерии степени интеграции ИС по количеству элементов:
¾ малой интеграции – до 10,
¾ средней (СИС) – до 100,
¾ большой (БИС) – от 100 до 1000,
¾ сверхбольшой (СБИС) – свыше 1000.
Изделия малой и средней интеграции используются по преимуществу как связующие звенья между устройствами БИС и СБИС (электронная обвязка СБИС), а также во вспомогательных устройствах (генераторах, формирователях и т.д.).
Перечисленные (и не перечисленные) достоинства современной аппаратуры, выполненной на ИС, обусловили непрерывное стремление микроэлектронной технологии повышать степень интеграции ИС. Количество транзисторов на кристалле в среднем возрастает ежегодно в 1.5-1.6 раза, приближается к миллиарду. Процессор Pentium 4 содержит около 120 млн. транзисторов, а схемы памяти и того более. Однако имеется, по крайней мере, три фактора, сдерживающего рост степени интеграции:
¾ минимальный размер элементов «рисунка» на кристалле, т.е. минимальный топологический размер (МТР). Проблема связана с процессом фотолитографии – фотопроцессом нанесения рисунка на кристалле. В фотолитографии для получения отпечатка топологии схемы на кристалле используется коротковолновое оптическое излучение (жесткий ультрафиолет). В электронолитографии топологический отпечаток схемы получается электронным пучком. Важно, чтобы
инструмент рисования (луч или электронный пучок) имели длина волны меньше элемента рисунка (длина световой волны в видимом диапазоне l=0.4-0.6 мкм). Переход на коротковолновое излучение в рентгеновском и гамма диапазоне пока проблематичен, так как существуют большие сложности работы с подобным излучением (фокусировка, отклонение, преломление). Сейчас выпускаются СБИС с МТР 0.045 мкм и ожидается переход на 0.033 мкм. Предполагается, что минимальный физический размер транзистора около 0.01 мкм. При меньших МТР у пленочных элементов нарушается целостность структуры, появляется «островковость». Количество атомов полупроводника становится недостаточным для функционирования транзистора.
¾ При высокой степени интеграции растет тепловыделение на кристалле, особенно с ростом тактовых частот. У процессора Pentium 4 при тактовой частоте 3 ГГц выделяется в виде тепла около 120 Вт на кристалле размером 12х12 мм. Отвести такой тепловой поток - сложная инженерная задача. Выход – понижать напряжение питания (тепловыделение пропорционально квадрату напряжения). Однако при понижении напряжения ухудшается помехозащищенность (уменьшается разница между уровнем «1» и «0»). Увеличивается доля омических потерь на соединениях. Приходиться принимать сложные и дорогие меры для обеспечения приемлемой помехозащищенности (например, вводятся дополнительные экранирующие слои на кристалле и т.д.). У современных процессоров напряжение питания составляет 1.5-1.3 В, и имеется тенденция к его снижению.
¾ Количество элементов на кристалле можно было бы увеличить за счет увеличения площади кристалла. Но при этом растет вероятность попадания дефектов на кристалл ИС, существующих из-за не идеальности кристаллической решетки (дефекты и дислокации присущи любому кристаллу) и дефектов, возникающих в технологическом процессе изготовления ИС. Эти факторы снижают процент выхода годных кристаллов. Считается, что экономически нецелесообразно использовать кристаллы площадью более 100 мм2. В том же процессоре Pentium 4 размеры кристалла составляют 12х12 мм2, и в дальнейших разработках предполагается уменьшать его размер.
Таков далеко не полный перечень проблем современной микроэлектроники.
