آی‌سی
تاریخچه > مدارهای مجتمع ماس

تقریباً همه تراشه‌های مدرن مدار مجتمع از مدارهای مجتمع نیم‌رسانا فلز- اکسید (MOS) ساخته شده از ماسفت (ترانزیستور اثرِ میدانیِ نیمه‌رسانای اکسید-فلز) ساخته شده‌اند. ماسفت (که به عنوان ترانزیستور ماس نیز شناخته می‌شود)، که توسط محمد عطاالله و داون کهنگ در آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۹۵۹ اختراع شد، ساخت مدارهای مجتمع با چگالی بالا را امکان‌پذیر کرد. آتالا نخستین بار مفهوم تراشه مدار مجتمع ماس (MOS IC) را در سال ۱۹۶۰ ارائه داد و خاطرنشان کرد که سهولت ساخت ماسفت آن را برای مدارهای مجتمع مفید ساخته‌است. برخلاف ترانزیستورهای دو قطبی که به‌شماری مرحله برای جداسازی اتصالات p-n ترانزیستورها روی تراشه نیاز داشتند، ماسفتها چنین مرحله ای را لازم ندارند اما می‌توانند به راحتی از یکدیگر جدا شوند. مزیت آن برای مدارهای مجتمع توسط داون کهنگ در سال ۱۹۶۱ تکرار شد. لیست نقاط عطف IEEE شامل نخستین مدار مجتمع توسط Kilby در سال ۱۹۵۸، روند مسطح Hoerni و IC مسطح Noyce در ۱۹۵۹، و ماسفت توسط عطاالله و کهنگ در ۱۹۵۹ است.
نخستین آزمایش آزمایشی ماس که ساخته شد، تراشه ۱۶ ترانزیستوری بود که توسط فرد هایمن و استیون هوفستاین در RCA در سال ۱۹۶۲ ساخته شد. جنرال میکروالکترونیک بعداً نخستین مدار مجتمع تجاری ماس را در سال ۱۹۶۴ معرفی کرد، یک رجیستر شیفت ۱۲۰ ترانزیستوری ایجاد شده توسط رابرت نورمن. تا سال ۱۹۶۴ تراشه‌های ماس نسبت به تراشه‌های دو قطبی به تراکم ترانزیستور بالاتر و هزینه‌های تولید کمتری رسیده بودند. تراشه‌های ماس به میزان پیش‌بینی شده توسط قانون مور بیشتر در پیچیدگی افزایش یافته و منجر به ادغام در مقیاس بزرگ (LSI) با صدها ترانزیستور بر روی یک تراشه ماس واحد در اواخر دهه ۱۹۶۰ می‌شوند.
به دنبال توسعه دروازه خود تراز شده (دروازه سیلیکون) ماسفت توسط رابرت کروین، دونالد کلاین و جان ساراس در آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۹۶۷، نخستین فناوری ماس IC با دروازه سیلیکون با دروازه‌های خود تراز، اساس تمام مدارهای مدرن سیماس مدرن، در فرچایلد سمیکانداکتر توسط فدریکو فاجین در سال ۱۹۶۸ ساخته شد. استفاده از تراشه‌های MOS LSI در محاسبات پایه و اساس نخستین ریزپردازنده‌ها بود، زیرا مهندسان تشخیص دادند که یک پردازنده رایانه کامل می‌تواند در یک تراشه MOS LSI وجود داشته باشد. این امر منجر به اختراع ریزپردازنده و میکروکنترلر در اوایل دهه ۱۹۷۰ شد. در اوایل دهه ۱۹۷۰، فناوری مدار مجتمع ماس یکپارچه سازی بسیار گسترده (VLSI) در بیش از ۱۰۰۰۰ ترانزیستور را بر روی یک تراشه امکان‌پذیر کرد.
در ابتدا، رایانه‌های مبتنی بر ماس فقط در مواقعی که چگالی بالا مانند ماشین حساب‌های هوا فضا و جیبی مورد نیاز بود، معنی پیدا می‌کردند. رایانه‌هایی که کاملاً از TTL ساخته شده‌اند، مانند Datapoint 2200 1970، بسیار سریعتر و قدرتمندتر از ریزپردازنده‌های ماس تک تراشه مانند اینتل ۸۰۰۸ ۱۹۷۲ تا اوایل دهه ۱۹۸۰ بودند.
پیشرفت در فناوری IC، در درجه اول ویژگی‌های کوچکتر و تراشه‌های بزرگتر، باعث شده‌است که هر دو سال شمار ترانزیستورهای ماس در یک مدار مجتمع دو برابر شود، روندی که تحت عنوان قانون مور شناخته می‌شود. مور در ابتدا اظهار داشت که هر سال دو برابر خواهد شد، اما در سال ۱۹۷۵ ادعا را هر دو سال یکبار تغییر داد. از این ظرفیت افزایش یافته برای کاهش هزینه و افزایش عملکرد استفاده شده‌است. به‌طور کلی، با کوچک شدن اندازه ویژگی، تقریباً همه جنبه‌های عملکرد یک IC بهبود می‌یابد. هزینه هر ترانزیستور و مصرف برق سوئیچینگ برای هر ترانزیستور کاهش می‌یابد، در حالی که ظرفیت و سرعت حافظه از طریق روابط تعریف شده توسط مقیاس گذاری Dennard (مقیاس گذاری ماسفت) افزایش می‌یابد. از آنجا که بهره، سرعت، ظرفیت و مصرف برق برای کاربر نهایی مشهود است، رقابت شدیدی میان تولیدکنندگان برای استفاده از هندسه‌های ریز وجود دارد. با گذشت سالها، اندازه ترانزیستورها از ۱۰ میکرون در اوایل دهه ۱۹۷۰ به ۱۰ نانومتر در سال ۲۰۱۷ کاهش یافته‌است با افزایش مربوط به میلیون برابر ترانزیستورها در واحد سطح. از سال ۲۰۱۶، نواحی تراشه معمولی از چند میلی‌متر مربع تا حدود ۶۰۰ میلی‌متر مربع متغیر است، با حداکثر ۲۵ میلیون ترانزیستور در میلی‌متر مربع.
پیش‌بینی شده کاهش اندازه ویژگی‌ها و پیشرفت مورد نیاز در زمینه‌های مربوط سال‌ها توسط نقشه راه بین‌المللی فناوری برای نیم‌رساناها (ITRS) پیش‌بینی شده بود. ITRS نهایی در سال ۲۰۱۶ صادر شد و نقشه راه بین‌المللی دستگاه‌ها و سیستم‌ها جایگزین آن شده‌است
در ابتدا، آی سی‌ها کاملاً الکترونیکی بودند. موفقیت آی‌سی‌ها منجر به تلفیق دیگر فناوری‌ها در تلاش برای دستیابی به همان مزایای کوچک و کم هزینه شده‌است. این فناوری‌ها شامل دستگاه‌های مکانیکی، اپتیک و حسگرها هستند.
دستگاه‌های متصل به شارژ، و سنسورهای پیکسل فعال که از نزدیک مرتبط هستند، تراشه‌هایی هستند که به نور حساس هستند. آنها تا حد بسیاری جایگزین فیلم عکاسی در کاربردهای علمی، پزشکی و مصرفی شده‌اند. اکنون میلیاردها دستگاه از این دستگاه‌ها هر ساله برای کاربردهایی مانند تلفن‌های همراه، تبلت‌ها و دوربین‌های دیجیتال تولید می‌شوند. این زیرشاخه IC در سال ۲۰۰۹ برنده جایزه نوبل شد.
دستگاه‌های مکانیکی بسیار کوچکی که توسط الکتریسیته رانده می‌شوند می‌توانند در تراشه‌ها یکپارچه شوند، فناوری معروف به سیستم‌های ریز الکترومکانیکی. این دستگاه‌ها در اواخر دهه ۱۹۸۰ تولید شدند و در انواع برنامه‌های تجاری و نظامی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال می‌توان به پروژکتورهای DLP، چاپگرهای جوهر افشان و شتاب سنج‌ها و ژیروسکوپ‌های MEMS که برای استقرار کیسه‌های هوا اتومبیل استفاده می‌شود، اشاره کرد.
از اوایل دهه ۲۰۰۰، ادغام قابلیت‌های نوری (محاسبات نوری) در تراشه‌های سیلیکون به‌طور فعال در تحقیقات دانشگاهی و در صنعت دنبال می‌شود و در نتیجه تجاری سازی موفق گیرنده‌های نوری یکپارچه مبتنی بر سیلیکون با ترکیب دستگاه‌های نوری (تعدیل کننده‌ها، ردیاب‌ها، مسیریابی) با الکترونیک مبتنی بر سیماس. مدارهای نوری مجتمع نیز با استفاده از رشته فیزیکی نوظهور معروف به فوتونیک در حال توسعه هستند.
همچنین مدارهای مجتمع برای کاربردهای حسگر در ایمپلنت‌های پزشکی یا دیگر دستگاه‌های بیوالکترونیک در حال ساخت هستند. برای جلوگیری از خوردگی یا تجزیه بیولوژیکی مواد نیم‌رسانا در معرض، باید در چنین محیط‌های بیوژنیک از تکنیک‌های ویژه آب‌بندی استفاده شود.
از سال ۲۰۱۸، اکثریت قریب به اتفاق همه ترانزیستورها ماسفت هستند که در یک لایه واحد در یک طرف تراشه سیلیکون ساخته شده و در یک روند مسطح دو بعدی مسطح ساخته شده‌اند. محققان نمونه‌های مختلفی از گزینه‌های امیدوار کننده مانند:
رویکردهای مختلف برای انباشته شدن چندین لایه ترانزیستور برای ایجاد یک مدار مجتمع سه بعدی (3DIC)، مانند سیلیکون از طریق، «سه بعدی یکپارچه»، اتصال سیم انباشته و دیگر روش‌ها.
ترانزیستور ساخته شده از مواد دیگر: ترانزیستورهای گرافن، ترانزیستورهای مولیبدنیت، ترانزیستور اثر نانولوله کربنی، ترانزیستور نیترید گالیم، دستگاه‌های الکترونیکی نانوسیم مانند ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدان آلی و غیره
ساخت ترانزیستور در کل سطح یک کره کوچک از سیلیکون.
تغییرات در بستر، به‌طور معمول برای ایجاد «ترانزیستورهای انعطاف‌پذیر» برای یک صفحه نمایش انعطاف‌پذیر یا دیگر الکترونیک‌های انعطاف‌پذیر، احتمالاً منجر به یک رایانه دور از دسترس می‌شود.
از آنجا که ساخت ترانزیستورهای همیشه کوچکتر دشوارتر می‌شود، شرکت‌ها بدون نیاز به استفاده از ماژول‌های چند تراشه، مدارهای مجتمع سه بعدی، بسته روی بسته، پهنای باند حافظه بالا و از راه دور سیلیکون با انباشت قالب برای افزایش عملکرد و کاهش اندازه ترانزیستورها را کاهش دهید. چنین تکنیک‌هایی در مجموع به عنوان بسته‌بندی پیشرفته شناخته می‌شوند. بسته‌بندی پیشرفته عمدتاً به بسته‌بندی 2.5D و 3D تقسیم می‌شود. 2.5D رویکردهایی مانند ماژول‌های چند تراشه ای را توصیف می‌کند در حالی که 3D رویکردهایی را که در آن قالب‌ها روی هم انباشته می‌شوند را توصیف می‌کند، مانند بسته روی بسته و پهنای باند حافظه. همه رویکردها شامل ۲ یا بیشتر قالب در یک بسته هستند. روش دیگر، رویکردهایی مانند 3D NAND چندین لایه را روی یک قالب قرار می‌دهد.