ინტეგრირებული მიკროსქემა

მარჯვნივ|მინი|300პქ|ინტეგრირებული მიკროსქემის (ე.წ. კრისტალის) მიკროსკოპული გამოსახულება, რომელიც განკუთვნილია თხევადკრისტალური დისპლეის (LCD) სამართავად.

ინტეგრირებული მიკროსქემა (ასევე ინტეგრალური სქემა, მიკროჩიპი ან, უბრალოდ, ჩიპი; ) — მინიატურული მიკროელექტრონული მოწყობილობა, რომელიც წარმოადგენს ნებისმიერი სირთულის ელექტრონულ სქემას, ფორმირებულს ერთიან ნახევარგამტარულ სუბსტრატზე (ძირითადად, სილიციუმის ფირფიტაზე ან აპკზე). მიკროსქემა, როგორც წესი, მოთავსებულია გაუხსნელ დამცავ კორპუსში.

ტერმინოლოგიურად, „ინტეგრირებული სქემა“ ხშირად თავად კრისტალს აღნიშნავს, „მიკროსქემა“ — კორპუსში მოთავსებულ ნაწარმს, ხოლო „ჩიპი“ (ინგლ. chip — თხელი ფირფიტა) თავდაპირველად კრისტალის სინონიმად გამოიყენებოდა.

დისკრეტული (ცალკეული) კომპონენტებისგან აწყობილ სქემებთან შედარებით, მიკროსქემები გამოირჩევა: მცირე ზომით, მაღალი სისწრაფით, დაბალი ენერგომოხმარებითა და მასობრივი წარმოების რენტაბელობით. ეს უპირატესობები განპირობებულია იმით, რომ ყველა ელემენტი (ტრანზისტორები, რეზისტორები, კონდენსატორები) და მათი კავშირები იქმნება ერთდროულად, ფოტოლითოგრაფიის მეთოდით. მიკროსქემების მთავარი ნაკლი დაპროექტებისა და საწარმოო ფაბრიკის მშენებლობის მაღალი საწყისი ღირებულებაა, რაც მათ ეკონომიკურად გამართლებულს მხოლოდ მასობრივი წარმოების პირობებში ხდის.

 ისტორია 
მარჯვნივ|მინი|ჯეკ კილბის მიერ შექმნილი ორიგინალური ინტეგრირებული სქემა — პირველი მსოფლიოში, დამზადებული გერმანიუმისგან და ოქროს გარე სადენებისგან.

 პირველი ინტეგრირებული სქემები 
1950-იან წლებში აშშ-ის არმია მუშაობდა „მიკრომოდულებზე“ — კერამიკულ სუბსტრატებზე მოთავსებულ ცალკეულ კომპონენტებზე. მალე გაჩნდა ბევრად რადიკალური მიდგომა.

ჯეკ კილბიმ (Texas Instruments) 1958 წლის 12 სექტემბერს შექმნა პირველი ინტეგრირებული სქემა — გერმანიუმის კრისტალზე ოქროს სადენებით დაკავშირებული კომპონენტებით. ამ გამოგონებისთვის 2000 წელს კილბიმ ნობელის პრემია მიიღო. პირველი მომხმარებელი აშშ-ის სამხედრო-საჰაერო ძალები იყო. თუმცა, კილბის დიზაინი გარე ოქროს სადენების გამო მასობრივი წარმოებისთვის მოუხერხებელი აღმოჩნდა.

რობერტ ნოისმა (Fairchild Semiconductor) 1959 წელს შექმნა პირველი პრაქტიკული მონოლითური ინტეგრირებული სქემა. ნოისმა გამოიყენა კოლეგა ჟან ჰორნის () პლანარული პროცესი და კურტ ლეჰოვეცის p-n გადასასვლელის იზოლაცია, რამაც სილიციუმის ჩიპზე ალუმინის შემაერთებელი ხაზების პირდაპირ დატანა შესაძლებელი გახადა. თანამედროვე მიკროსქემები სწორედ ნოისის მონოლითურ დიზაინს ეფუძნება.

 სამთავრობო მოთხოვნა — ინდუსტრიის კატალიზატორი 
1961–1965 წლებში ჩიპების უმსხვილესი მომხმარებლები ნასას „აპოლოს პროგრამა“ და აშშ-ის Minuteman-ის სარაკეტო პროგრამა იყო. სწორედ Minuteman-ის პროგრამამ აიძულა მწარმოებლები მასობრივ წარმოებაზე გადასულიყვნენ. 1962 წელს მიკროსქემების მთელი ბაზარი მხოლოდ 4 მილიონი დოლარი იყო და თითქმის მთლიანად სამთავრობო შეკვეთებზე მოდიოდა; 1968 წლისთვის ბაზარი 312 მილიონ დოლარამდე გაიზარდა, საიდანაც სამთავრობო ხარჯები კვლავ 37%-ს შეადგენდა. სამთავრობო მოთხოვნამ ტექნოლოგიის სწრაფ გაიაფებას შეუწყო ხელი: ჩიპის საშუალო ფასი 50 დოლარიდან (1962) 2,33 დოლარამდე (1968) დაეცა, რამაც სამრეწველო და სამომხმარებლო ბაზრებზე გასვლა შესაძლებელი გახადა.

 ძირითადი ტექნოლოგიური ეტაპები 
 TTL (ტრანზისტორ-ტრანზისტორული ლოგიკა) — ეს ტექნოლოგია 1960-იანი წლების დასაწყისში შეიქმნა და მომდევნო ორი ათწლეულის განმავლობაში ინდუსტრიის მთავარ სტანდარტს წარმოადგენდა. სწორედ მას ეფუძნებოდა იმდროინდელი მინიკომპიუტერები და მეინფრეიმები (მაგალითად, IBM 360 და PDP-11).
 MOS / CMOS — 1960-იანი წლებიდან ეგრეთ წოდებული MOSFET ტრანზისტორების დანერგვამ მიკროსქემებზე ელემენტების სიმჭიდროვის მკვეთრი ზრდა განაპირობა. 1968 წელს შემუშავებული CMOS ტექნოლოგია კი იმდენად ეფექტური აღმოჩნდა, რომ იგი დღემდე ინარჩუნებს თანამედროვე ჩიპების წარმოების უმთავრესი საფუძვლის სტატუსს.
 მიკროპროცესორის დაბადება — 1970-იანი წლების დასაწყისში განვითარებულმა ტექნოლოგიებმა ინჟინრებს საშუალება მისცა, სრული პროცესორი ერთ დამოუკიდებელ ჩიპზე მოეთავსებინათ. ამან დასაბამი მისცა პირველი მიკროპროცესორებისა და მიკროკონტროლერების შექმნას. 1971 წელს კომპანია Intel-მა გამოუშვა პირველი კომერციული მიკროპროცესორი — Intel 4004, რომელმაც საძირკველი ჩაუყარა როგორც შემდგომ მოდელებს (8080, 8086), ისე თანამედროვე x86 არქიტექტურას.

 თაობები და ინტეგრაციის მასშტაბი 
ტრანზისტორების ზომის შემცირება და სიმჭიდროვის ზრდა მიჰყვება მურის კანონს — ტრანზისტორების რაოდენობა ჩიპზე ორმაგდება დაახლოებით ყოველ 2 წელიწადში. ამასთან ერთად, ფაბრიკების მშენებლობის ღირებულებაც ექსპონენციალურად იზრდება — ეს კანონზომიერება როკის კანონის (Rock's law) სახელითაა ცნობილი.

 აკრონიმი  დასახელება  წელი  ტრანზისტორები SSI  მცირე ინტეგრაცია (Small-scale integration)  1964  1 – 10 MSI  საშუალო ინტეგრაცია (Medium-scale integration)  1968  10 – 500 LSI  დიდი ინტეგრაცია (Large-scale integration)  1971  500 – 20 000 VLSI  ზედიდი ინტეგრაცია (Very-large-scale integration)  1980  20 000 – 1 000 000 ULSI  ულტრა-დიდი ინტეგრაცია (Ultra-large-scale integration)  1984  1 000 000+

დღეს არსებობს ჩიპები, რომლებიც ტრილიონობით ტრანზისტორს იტევს (მაგ., NAND მეხსიერების ჩიპები). თანამედროვე პროცესორები მილიარდობით ტრანზისტორს შეიცავს ადამიანის ფრჩხილის ზომის ფართობზე.

 კლასიფიკაცია 

 სიგნალის ტიპის მიხედვით 
 ციფრული მიკროსქემები — განკუთვნილია ლოგიკური ოპერაციების შესასრულებლად და მუშაობს ორობითი დისკრეტული სიგნალებით („0“ და „1“). ამ კატეგორიას მიეკუთვნება მიკროპროცესორები, მეხსიერების ჩიპები და მიკროკონტროლერები. ისინი გამოირჩევა ტრანზისტორების მაღალი სიმჭიდროვითა და ენერგომოხმარების უკიდურესად დაბალი მაჩვენებლით.
 ანალოგური მიკროსქემები — ამუშავებს უწყვეტ სიგნალებს. ისინი ასრულებენ ისეთ ფუნქციებს, როგორებიცაა სიგნალის გაძლიერება, ფილტრაცია და მოდულაცია. ტიპური მაგალითებია: ოპერაციული გამაძლიერებლები, სენსორები და ძაბვის სტაბილიზატორები.
 შერეული სიგნალის მიკროსქემები — ერთ კრისტალზე აერთიანებს როგორც ციფრულ, ისე ანალოგურ სქემებს. ამის ნათელი მაგალითია ანალოგურ-ციფრული (ADC) და ციფრულ-ანალოგური (DAC) გარდამქმნელები, ასევე Wi-Fi და სხვა რადიოსიხშირული მოდულები.

 პროგრამირებადი მოწყობილობები 
1980-იან წლებში შეიქმნა პროგრამირებადი ლოგიკური მოწყობილობები (PLD), სადაც ლოგიკურ ფუნქციებსა და შიდა კავშირებს თავად მომხმარებელი აპროგრამებს, ნაცვლად იმისა, რომ ისინი ქარხნულად იყოს მკაცრად განსაზღვრული. ამ ტექნოლოგიის ყველაზე მოწინავე წარმომადგენელია FPGA (Field-Programmable Gate Array) — ჩიპი, რომლის კონფიგურაციისა და ფუნქციონირების შეცვლა ნებისმიერ დროსაა შესაძლებელი, მათ შორის უშუალოდ მუშაობის პროცესშიც. თანამედროვე FPGA-სისტემები მილიონობით ლოგიკურ ვენტილს შეიცავს და 1 გჰც-მდე სიხშირეზე მუშაობს.

 არქიტექტურის მიხედვით 
 SoC (System on a Chip — სისტემა ჩიპზე) — წარმოადგენს არქიტექტურულ მიდგომას, სადაც სრულფასოვანი სისტემის ყველა საჭირო კომპონენტი (პროცესორი, მეხსიერება, შეტანა-გამოტანის ინტერფეისები) ერთიანდება ერთ კრისტალზე. იგი ფართოდ გამოიყენება სმარტფონებსა და ჩაშენებულ სისტემებში.
 MCM (Multi-Chip Module) — აერთიანებს რამდენიმე დამოუკიდებელ ნახევარგამტარულ კრისტალს ერთ საერთო კორპუსში.
 3D-IC — გულისხმობს ჩიპების (ან ე.წ. ჩიპლეტების) ვერტიკალურად დაწყობასა და მიკროსკოპული არხებით (Through-silicon via) დაკავშირებას. ეს არის თანამედროვე ტექნოლოგიური გამოსავალი, რომელიც მკვეთრად ზრდის წარმადობასა და კომპაქტურობას ტრანზისტორების ფიზიკური ზომების შემცირების გარეშე.

 დიზაინი 
თანამედროვე ჩიპების დაპროექტება ურთულესი პროცესია, რომლის ღირებულება ათეულობით მილიონ დოლარს აჭარბებს. მილიარდობით კომპონენტის ხელით დაგეგმვა შეუძლებელია, ამიტომ გამოიყენება EDA (Electronic Design Automation) — სპეციალიზებული პროგრამული ინსტრუმენტები სქემების დაპროექტების, ვერიფიკაციისა და ანალიზისთვის. უახლესი EDA სისტემები ხელოვნურ ინტელექტსაც იყენებს.

 წარმოება 
 ფოტოლითოგრაფია 
წარმოების მთავარი მეთოდი ფოტოლითოგრაფიაა:
 სუბსტრატი — მონოკრისტალური სილიციუმის ფირფიტა (Wafer, დიამეტრი 300 მმ-მდე).
 შრეების დატანა — ულტრაიისფერი გამოსხივებით შრეებად იტანება გამტარები, იზოლატორები და ლეგირებული ზონები.
 დამატებითი პროცესები — ქიმიური ორთქლით დალექვა (CVD), ტრავირება, დოპირება.

თანამედროვე ჩიპებისთვის (5 ნმ, 3 ნმ) გამოიყენება EUV (ექსტრემალურად ულტრაიისფერი) ლითოგრაფია და FinFET/GAAFET ტრანზისტორული არქიტექტურები.

 ტექნოლოგიური პროცესის ევოლუცია 
 პერიოდი  ტექპროცესი 1970-იანი წლები  2–8 μm (მიკრომეტრი) 1990-იანი წლები  250–600 nm (ნანომეტრი) 2002–2004 წლები  90 nm 2007 წელი  45 nm 2014 წელი  14 nm 2020 წელი  5 nm 2022 წელი  3 nm

 ტესტირება და კორპუსირება 
წარმოების შემდეგ ფირფიტაზე თითოეული ჩიპი (Die) ავტომატური აპარატურით ტესტირდება. გამართული კრისტალები ამოიჭრება და მოთავსდება დამცავ კორპუსში.

კორპუსების ევოლუცია:
 DIP (Dual In-line Package) — ადრეული სტანდარტი, კერამიკული/პლასტიკური.
 QFP/TSOP — 1990-იანი წლები, მაღალი კონტაქტების (pin) რაოდენობისთვის.
 BGA (Ball Grid Array) — თანამედროვე სტანდარტი, flip-chip ტექნოლოგიით.
 Advanced Packaging — ჩიპლეტები, 2.5D/3D დაწყობა, HBM მეხსიერება.

 წარმოების მოდელები 
 IDM (Integrated Device Manufacturer) — კომპანიები, რომლებიც თავად აპროექტებენ და აწარმოებენ ჩიპებს (მაგ.: Intel, Samsung).
 Fabless — კომპანიები, რომლებიც მხოლოდ აპროექტებენ დიზაინს, უშუალოდ წარმოებას კი ფაუნდრებს (ქარხნებს) ანდობენ (მაგ.: Nvidia, AMD, Apple).
 Pure-play Foundry (მხოლოდ წარმოებაზე ორიენტირებული ფაბრიკები) — კომპანიები, რომლებიც სხვების მიერ დაპროექტებულ ჩიპებს ამზადებენ. ამ სფეროს უპირობო და აბსოლუტური ლიდერია ტაივანური TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), რომელსაც გლობალური ფაუნდრი ბაზრის 60%-ზე მეტი და ყველაზე მოწინავე (5 ნმ და 3 ნმ) ჩიპების წარმოების თითქმის 90% უკავია. მისი მთავარი კონკურენტია Samsung Foundry. თანამედროვე მოწინავე ფაბრიკის (Fab) მშენებლობა დღეს 15-დან 20 მილიარდ აშშ დოლარამდე ჯდება.

 გეოპოლიტიკური მნიშვნელობა 
მიკროსქემები 21-ე საუკუნის სტრატეგიული რესურსია. როგორც ისტორიკოსი კრის მილერი წიგნში „ჩიპების ომი“ (Chip War) აღნიშნავს, ჩიპების წარმოება კაცობრიობის ისტორიაში ყველაზე რთული საინჟინრო პროცესია და მასზეა დამოკიდებული გლობალური ეკონომიკა, ხელოვნური ინტელექტი და თანამედროვე სამხედრო ძლიერება.

ამ გლობალურ ჯაჭვში კრიტიკული და უალტერნატივო როლი უჭირავს ტაივანს. ტაივანური კომპანია TSMC აწარმოებს მსოფლიოს ყველაზე მოწინავე მიკროსქემების აბსოლუტურ უმრავლესობას. ტაივანის ამ გლობალურ ტექნოლოგიურ მონოპოლიას ექსპერტები ხშირად „სილიციუმის ფარს“ (Silicon Shield) უწოდებენ, რადგან კუნძულის უსაფრთხოება პირდაპირ კავშირშია მსოფლიო ეკონომიკის სტაბილურობასთან. 

2017 წელს მიკროსქემების მსოფლიო ბაზარი 700 მილიარდ აშშ დოლარად შეფასდა. უმსხვილესი ექსპორტიორებია: სინგაპური, სამხრეთ კორეა და ჩინეთი; ხოლო უმსხვილესი იმპორტიორი თავად ჩინეთია. ამ გეოპოლიტიკურ რეალობაზე საპასუხოდ, 2022 წელს აშშ-ში მიიღეს CHIPS and Science Act — კანონი, რომელიც 52 მილიარდი დოლარის სუბსიდირებას ითვალისწინებს ამერიკული ნახევარგამტარული წარმოების გასაძლიერებლად.

 სილიციუმის გრაფიტი (ჩიპ-არტი) 

მიკროსქემების შექმნის დღიდან, ინჟინრები სილიციუმის თავისუფალ ზედაპირს მალულად იყენებენ მიკროსკოპული ნახატებისა და სახუმარო წარწერების დასატანად — ეს მოვლენა Silicon graffiti ან ჩიპ-არტის (Chip art) სახელითაა ცნობილი.

 იხილეთ აგრეთვე 
 მიკროპროცესორი
 მურის კანონი
 ნახევარგამტარი
 ფოტოლითოგრაფია
 ბეჭდური პლატა

 რესურსები ინტერნეტში 

 ინტეგრირებული მიკროსქემების ისტორია ნობელის პრემიის ოფიციალურ საიტზე (ინგლისური)
 ფართო გრაფიკი ინტეგრირებული მიკროსქემების სიით საერთო ნომრის მიხედვით (ინგლისური)

 სქოლიო 

კატეგორია:ინტეგრირებული მიკროსქემები
კატეგორია:ნახევარგამტარული ხელსაწყოები
კატეგორია:ამერიკული გამოგონებები
კატეგორია:მე-20 საუკუნის გამოგონებები
კატეგორია:ციფრული ელექტრონიკა