Układ scalony
Układ scalony (częściej nazywany układem scalonym, mikroprocesorem, chipem krzemowym, chipem komputerowym lub układem scalonym) to kawałek specjalnie przygotowanego krzemu (lub innego półprzewodnika), w którym za pomocą fotolitografii wytrawiany jest układ elektroniczny. Chipy krzemowe mogą zawierać bramki logiczne, procesory komputerowe, pamięć i specjalne urządzenia. Układ scalony jest bardzo delikatny, dlatego zwykle jest otoczony plastikową obudową w celu jego ochrony. Kontakt elektryczny z chipem jest zapewniony przez maleńkie druciki, które łączą chip z większymi metalowymi pinami, które wystają z opakowania.
Układ scalony ma dwie główne zalety w porównaniu z układami dyskretnymi: koszt i wydajność. Koszt jest niski, ponieważ miliony tranzystorów mogą być umieszczone na jednym chipie, zamiast budować obwód z pojedynczych tranzystorów. Wydajność jest wyższa, ponieważ komponenty mogą działać szybciej i zużywać mniej energii.
Układy scalone są projektowane do różnych celów. Układ scalony może być zaprojektowany tylko dla kalkulatora, który może działać tylko jako kalkulator. Układy scalone można podzielić na analogowe, cyfrowe i o mieszanym sygnale (zarówno analogowe, jak i cyfrowe na tym samym chipie).
Półprzewodnik
Półprzewodnik, taki jak krzem, może być kontrolowany w celu umożliwienia (lub uniemożliwienia) przepływu prądu. Pozwala to na tworzenie tranzystorów, które mogą się wzajemnie kontrolować. Znajdują się one w wielu przedmiotach domowego użytku, takich jak radia, komputery, telefony i wiele innych. Inne urządzenia półprzewodnikowe to ogniwa słoneczne, diody i diody LED (diody emitujące światło).
Zdjęcie plastikowych układów scalonych PQFP (Plastic Quad Flat Pack)
Widok z boku obudowy DIP (dual in-line package)
Wynalazek
W 1958 i 1959 r. dwóch ludzi wpadło na pomysł układu scalonego niemal dokładnie w tym samym czasie. Tranzystory stały się już codziennością, stosowaną w urządzeniach domowych, takich jak radia. Miały one wpływ na wszystko, od radioodbiorników po telefony, a w tamtym czasie producenci potrzebowali mniejszego zamiennika dla lamp próżniowych. Tranzystory były mniejsze niż lampy próżniowe, ale dla niektórych najnowszych urządzeń elektronicznych, na przykład do naprowadzania rakiet, nie były one wystarczająco małe.
Pewnego lipcowego dnia Jack Kilby pracował w Texas Instruments, kiedy przyszło mu do głowy, że wszystkie części obwodu, nie tylko tranzystor, mogą być wykonane z krzemu. W tamtym czasie nikt nie umieszczał kondensatorów i rezystorów w układach scalonych. To miało zmienić przyszłość i ułatwić produkcję i sprzedaż układów scalonych. Szefowi Kilby'ego spodobał się ten pomysł i kazał mu zabrać się do pracy. Do 12 września Kilby zbudował działający model, a 6 lutego firma Texas Instruments złożyła wniosek patentowy. Ich pierwszy "Solid Circuit" był wielkości opuszka palca.
Tymczasem w Kalifornii inny człowiek wpadł na ten sam pomysł. W styczniu 1959 roku, Robert Noyce pracował w małej firmie Fairchild Semiconductor. On również zdał sobie sprawę, że cały obwód można umieścić w pojedynczym chipie. Podczas gdy Kilby dopracował szczegóły wykonania poszczególnych elementów, Noyce wymyślił znacznie lepszy sposób łączenia części. Projekt został nazwany "obwodem jednostkowym". Wszystkie te szczegóły opłaciły się, ponieważ 25 kwietnia 1961 roku, urząd patentowy przyznał pierwszy patent na układ scalony Robertowi Noyce'owi, podczas gdy wniosek Kilby'ego był wciąż analizowany. Dziś uznaje się, że obaj panowie niezależnie od siebie wpadli na ten pomysł.
Wkrótce pojawiły się dwa rodzaje układów scalonych: hybrydowe (HIC) i monolityczne (MIC). Hybrydy wymarły pod koniec XX wieku.
Pokolenia
| Nazwa | Okres | Liczba tranzystorów na każdym chipie (w przybliżeniu) |
| SSI (integracja na małą skalę) | początek lat 60. | jeden chip zawiera tylko kilka tranzystorów |
| MSI (Medium-Scale Integration) | koniec lat 60. | setki tranzystorów na każdym chipie |
| LSI (integracja na dużą skalę) | połowa lat 70. | dziesiątki tysięcy tranzystorów na chipie |
| VLSI (Very Large-Scale Integration) | koniec XX w. century | setki tysięcy tranzystorów |
| ULSI (Ultra-Large Scale Integration) | XXI wiek | ponad 1 milion tranzystorów |
Różnica pomiędzy VLSI a ULSI nie jest dobrze zdefiniowana.
Klasyfikacja
Układy scalone mogą być pakowane jako DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small-outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) i inne typy pakietów scalonych. Niektóre małe są pakowane do technologii montażu powierzchniowego. Tranzystory wewnątrz mogą być tranzystorami bipolarnymi w nietypowych układach, np. wymagających bardzo dużych szybkości przełączania. Większość z nich to jednak MOSFETy.
Powiązane strony
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest układ scalony?
O: Układ scalony, znany również jako IC lub microchip, to kawałek specjalnie przygotowanego krzemu, na którym układ elektroniczny jest wytrawiany za pomocą fotolitografii.
P: Jakie są przykłady urządzeń, które można umieścić na chipie krzemowym?
O: Chipy krzemowe mogą zawierać bramki logiczne, procesory komputerowe, pamięć i urządzenia specjalne.
P: Dlaczego chip jest otoczony plastikową obudową?
O: Układ scalony jest bardzo delikatny, dlatego do jego ochrony stosuje się plastikową obudowę.
P: W jaki sposób nawiązywany jest kontakt elektryczny z układem scalonym?
O: Kontakt elektryczny z chipem jest zapewniony przez małe przewody, które łączą chip z większymi metalowymi pinami, które wystają z obudowy.
P: Jakie są dwie zalety stosowania układów scalonych zamiast obwodów dyskretnych?
O: Układy scalone mają dwie główne zalety w porównaniu z obwodami dyskretnymi: koszt i wydajność. Koszt jest niski, ponieważ na jednym chipie można umieścić miliony tranzystorów, zamiast budować obwód z pojedynczych tranzystorów. Wydajność jest wyższa, ponieważ komponenty mogą działać szybciej i zużywać mniej energii.
P: Jakie są rodzaje układów scalonych?
O: Układy scalone można podzielić na analogowe, cyfrowe i mieszane (zarówno analogowe, jak i cyfrowe na tym samym chipie).
P: Czy pojedynczy układ scalony może być zaprojektowany do określonego celu?
O: Tak, układ scalony może być zaprojektowany do określonego celu, np. układ scalony kalkulatora, który może działać tylko jako kalkulator.
