Миниатюрные помощники: что такое микросхемы и как они работают

Микросхема — это компактное полупроводниковое устройство, которое содержит множество электронных компонентов, таких как транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы. Они размещены на единой полупроводниковой подложке. Компоненты совместно работают для обработки, хранения или передачи информации в виде электрических сигналов. В зависимости от конструкции и назначения микросхемы могут выполнять миллионы или даже миллиарды операций в секунду.

Микросхемы — важный компонент любого современного электронного устройства. Они обеспечивают работу разнообразной электроники: от смартфонов до медицинского оборудования и автомобилей. Компактные размеры, энергоэффективность и способность выполнять сложные вычисления сделали микросхемы незаменимыми.

Для изготовления микросхем в наши дни чаще всего используют кремний. Этот полупроводниковый материал обладает уникальными электрическими свойствами и доступностью — это второй по распространенности элемент в земной коре. В зависимости от конструкции и назначения микросхемы могут выполнять миллионы или даже миллиарды операций в секунду.

Все началось с изобретения транзистора в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Это полупроводниковый компонент, который может усиливать электрические сигналы. В электронике он используется в самых разных ролях: как усилитель, переключатель или регулятор напряжения. Транзистор заменил громоздкие электронные лампы, значительно уменьшив размер и энергопотребление электронных устройств. Транзисторы бывают разных типов, каждый из которых наилучшим образом подходит для решения той или иной задачи.

В 1958 году Джек Килби из компании Texas Instruments создал первую интегральную схему, которая объединила транзисторы и другие компоненты на одном полупроводниковом кристалле. Это изобретение стало основой для современной микроэлектроники. Отрасль начала стремительно развиваться.

Сооснователь Intel Гордон Мур в 1965 году сделал прогноз, известный сейчас как «закон Мура». Он предсказал, что количество транзисторов на микросхеме будет удваиваться каждые два года, а стоимость одного транзистора будет снижаться. Этот принцип длительное время определял развитие полупроводниковой индустрии.

В 1971 году компания Intel представила первый микропроцессор, 4004, который содержал 2300 транзисторов и работал с тактовой частотой 740 кГц. Современные микросхемы включают миллиарды транзисторов и играют ключевую роль в таких областях, как искусственный интеллект и высокопроизводительные вычисления.

«Закон Мура» в его традиционной формулировке перестал быть актуальным в середине 2010-х годов. Производители микросхем столкнулись с различными ограничениями:

• Технологические — на техпроцессах менее 10 нм возникали значительные проблемы, такие как квантовые эффекты (например, туннелирование электронов) и сложности в контроле утечек тока.
• Экономическая нецелесообразность — стоимость создания новых производственных мощностей и разработки процессов резко возросла. Построение фабрики для самых передовых техпроцессов сейчас требует инвестиций в десятки миллиардов долларов.
• Замедление темпов прогресса — удвоение плотности транзисторов каждые два года стало невозможным.

Ведущие компании, такие как Intel, TSMC и AMD, начали выпускать многоядерные процессоры, фактически признав, что масштабирование транзисторов не может быть единственным путем для повышения производительности.

Сейчас индустрия микроэлектроники развивается благодаря улучшению архитектуры, компоновке и внедрению новых материалов при производстве микросхем. Также разрабатываются специализированные вычислительные решения для выполнения определенных функций:

• тензорные (TPU) и нейронные процессоры (NPU), графические ускорители (серверные GPU) для машинного обучения и нейросетей,
• FPGA с функцией программирования на решение конкретных вычислительных задач,
• ASIC — чипы, разработанные для выполнения одной конкретной задачи, такой как криптомайнинг, с максимальной эффективностью,
• чипы для автономных систем — работают в беспилотных автомобилях, дронах и используются в робототехнике для обработки данных в реальном времени.

Вам интересен мир электроники, но вы не знаете, с чего начать и как получить практические навыки? Прекрасно вас понимаем. Поэтому мы создали бесплатный онлайн-курс по схемотехнике. Проходить его можно в любое время. Как для себя, так и вместе с детьми. Кто знает, может быть, именно вы совершите очередное открытие в микроэлектронике.

В зависимости от количества компонентов микросхемы делятся на следующие типы:

• малые интегральные схемы (МИС): менее 100 элементов в кристалле, используются в базовых логических схемах,
• средние (СИС): до 1000 элементов, подходят для калькуляторов и простейших контроллеров,
• большие (БИС): содержат до 10 тысяч элементов, например процессоры первых поколений,
• сверхбольшие (СБИС): более 10 тысяч элементов — современные микросхемы с миллионами и миллиардами транзисторов.

Ранее в классификации были ультрабольшие (УБИС) и гигабольшие (ГБИС) интегральные схемы, содержащие до миллиона и более миллиарда элементов соответственно. Сейчас их принято относить к СБИС, то есть сверхбольшим микросхемам.

Самые большие современные чипы могут состоять из триллионов транзисторов. Один из рекордсменов — процессор Cerebras Wafer Scale Engine. У него 850 000 ядер, а на пластине-процессоре размещены 2,6 триллиона транзисторов. Этот монструозный чип используется приложениями искусственного интеллекта для решения сложных задач в фармацевтике и медицинской биологии.

Современные интегральные микросхемы изготавливаются с использованием различных технологий. Самая старая — планарная, запатентованная в 1959 году. Наиболее продвинутая — трехмерная, с ее помощью изготавливают новейшие процессоры и память 3D NAND. У каждой технологии свои особенности и области применения.

Планарная — самая старая и широко используемая. Она основана на создании активных элементов и соединений на поверхности полупроводниковой подложки. Планарная технология лежит в основе большинства современных микросхем и применяется при производстве интегральных схем для компьютеров, смартфонов и других устройств.

Пленочная — предполагает создание тонких пленок проводников, полупроводников и диэлектриков на подложке. Она позволяет производить элементы высокой точности и плотности, поэтому используется в тонкопленочных резисторах, сенсорах и дисплеях.

Гибридная — сочетает различные способы монтажа: как на основе пленок, так и с использованием отдельных компонентов. Ее преимущество заключается в возможности сочетать плюсы разных подходов. Поэтому технология применяется в специализированной аппаратуре, например в радиочастотном оборудовании и медицинской технике.

Смешанная — наиболее инновационная. Она объединяет планарные и пленочные методы, что позволяет создавать микросхемы с высокой функциональностью и небольшими размерами. Эта технология активно развивается в разработке носимой электроники и устройств интернета вещей.

Трехмерная — позволяет создавать трехмерные структуры, где активные элементы и соединения расположены не только на одной плоскости, но и вертикально. Это существенно увеличивает плотность интеграции, улучшает производительность и снижает энергопотребление за счет сокращения длины соединений между компонентами.

Вид обрабатываемого сигнала — еще один способ классификации микросхем. Он также определяет область применения интегральной схемы.

Аналоговые — предназначены для обработки непрерывных электрических сигналов, таких как звук, свет или температурные изменения. Такие электронные устройства называют аналоговыми потому, что они работают с электрическим сигналом, аналогичным по своей форме физическому процессу, который его породил. Например, чем громче звук, поступающий в микрофон, тем больше величина сигнала в вольтах на выходе этого микрофона.

Примеры таких микросхем включают усилители, преобразователи сигналов и регуляторы напряжения. Они находят применение в аудиосистемах, медицинской аппаратуре (например, ЭКГ) и аналоговых датчиках.

Цифровые — работают с дискретными сигналами, представляющими данные в бинарной форме (0 и 1). Они лежат в основе всех современных компьютеров, смартфонов и других цифровых устройств. Основные примеры таких микросхем — процессоры, микроконтроллеры и платы оперативной памяти.

Смешанные — объединяют функции аналоговой и цифровой обработки сигналов, что позволяет использовать их в более сложных устройствах. Например, микросхемы для обработки сигналов в смартфонах. Они преобразуют аналоговые сигналы, такие как речь или музыка, в цифровую форму для последующей обработки. И наоборот, цифровые сигналы — в аналоговые, например для воспроизведения музыки. Такие микросхемы активно применяются в устройствах связи: модемах, аудиокодеках и системах навигации.

Ключевой компонент, который выполняет функции переключателей и усилителей и позволяет осуществлять логические операции: «ИЛИ», «НЕ», «И».

Транзисторы играют ключевую роль в интегральных схемах, благодаря им стало возможным создание современных процессоров и памяти. Они могут быть двух типов: биполярные и полевые. У каждого свои особенности, подходящие для конкретных задач. Полевые транзисторы отличаются низкой потребляемой мощностью, простотой управления и высоким входным сопротивлением. Биполярные транзисторы обеспечивают высокое усиление сигнала, быстрое переключение, а также плавное и точное усиление сигнала.

Хранят и выделяют электрическую энергию, важны для временных и фильтрующих схем.

Конденсаторы могут временно поддерживать напряжение в цепи, что особенно важно в стабилизации питания и устранении помех. В фильтрах они помогают изолировать высокочастотные сигналы, разделяя полезные и паразитные частоты.

Регулируют силу электрического тока, обеспечивая стабильность цепи.

Резисторы могут быть использованы для создания делителей напряжения или ограничения тока в определенных участках схемы. Их номинал тщательно подбирается, чтобы обеспечить точную работу устройства.

Контролируют направление тока, защищая цепи от обратного напряжения и перенапряжений.

Диоды, помимо основной функции выпрямления тока, используются в схемах защиты — например от скачков напряжения для предотвращения поломки оборудования.

Светодиоды (LED, light-emitting diode) — особый подтип диодов. Они используются в освещении, мониторах и телевизорах, а также для индикации в электронных приборах. Светодиоды преобразуют электрический ток в световое излучение. Они состоят из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса, контактов и оптической системы.

Включают в себя процессор, память и периферийные устройства, часто применяются в системах управления.

Микроконтроллеры находят применение в широком спектре устройств: от бытовой электроники до сложных промышленных систем. Универсальность позволяет использовать их как основу для интеллектуальных устройств.

Работают с непрерывными сигналами, применяются в аудиоустройствах и датчиках.

Аналоговые схемы усиливают, фильтруют или преобразуют сигналы в их «естественной» форме. Например, усилитель в аудиосистеме обеспечивает точную передачу звука без искажений.

Осуществляют операции с бинарными данными и составляют основу вычислительных систем.

Цифровые схемы работают с уровнями «0» и «1», что делает их устойчивыми к шумам и обеспечивает высокую точность вычислений. Они лежат в основе всех процессоров, памяти и других цифровых устройств.

Преобразуют аналоговые сигналы в цифровые, например, для записи звука и измерения температуры.

АЦП используются в датчиках для перевода сигналов, таких как звук, свет или температура, в формат, пригодный для обработки микроконтроллерами или компьютерами. Чем выше разрешение АЦП, тем точнее передача данных.

Выполняют обратное преобразование сигнала из цифрового в аналоговый, например для вывода звука.

ЦАП необходимы для работы с выходными устройствами, такими как динамики, где цифровая информация преобразуется в физические сигналы, воспринимаемые человеком. Высокое качество ЦАП позволяет делать звучание естественным.

Процесс производства микросхем начинается с этапа проектирования. Инженеры-разработчики микросхем используют специализированное ПО для моделирования и оптимизации сложных интегральных схем. Процесс включает выбор архитектуры, разработку схемных решений, а также обеспечение высокой производительности при минимальном энергопотреблении.

Для сложных микросхем, таких как CPU и GPU, учитываются сотни факторов: от теплоотдачи до устойчивости к внешним воздействиям. Современные методы проектирования, например с использованием искусственного интеллекта, позволяют значительно сократить время на разработку и снизить вероятность ошибок.

На этапе производства каждая микросхема проходит ряд строгих проверок. Тестирование проводится на разных стадиях: сначала проверяются отдельные компоненты, затем готовый чип. Микросхемы проверяют в условиях различных температур, влажности и напряжений, чтобы убедиться в их надежности и устойчивости к экстремальным ситуациям.

Дефектные чипы отсеиваются, а данные об их поломках анализируются для улучшения производственного процесса.

Микросхемы сегодня используются практически во всех сферах человеческой деятельности: от здравоохранения до науки. Они могут работать как в простых устройствах, так и в сложных промышленных решениях. Приведем несколько примеров.

Здравоохранение — микросхемы используются в медицинской диагностике и лечении. Например, они работают в аппаратах МРТ, кардиостимуляторах, инсулиновых помпах и современных хирургических роботах.

Автомобилестроение — контролируют системы управления двигателем, датчики и системой помощи водителю. Особенно активно микросхемы используются в электромобилях и гибридах, где электроника обеспечивает управление батареей и энергосбережение.

Телекоммуникации — микросхемы обеспечивают работу сотовых сетей, модемов и роутеров, а также помогают развитию высокоскоростной связи.

Интернет вещей — в умных домах, носимых устройствах и промышленной автоматизации микросхемы играют ключевую роль, обеспечивая подключение устройств к сети и их автономную работу.

Поломки микросхем могут возникать по ряду причин, перечислим основные.

Перегрев — высокие температуры, возникающие при работе, приводят к выходу из строя материалов и разрушению соединений. Для предотвращения перегрева используются системы охлаждения и тепловые интерфейсы.

Износ — со временем компоненты деградируют, особенно при интенсивной эксплуатации. Для увеличения срока службы разрабатываются материалы с повышенной износостойкостью.

Перепады напряжения — резкие скачки могут разрушить внутренние соединения. Для защиты используют стабилизаторы напряжения и фильтры.

Будущее микросхем связано с рядом активно развивающихся технологий.

Квантовые вычисления — новая парадигма обработки данных, где квантовые микросхемы обещают огромный скачок в вычислительных мощностях, что особенно важно для криптографии, моделирования и анализа больших данных.

Нейроморфная архитектура — микросхемы, имитирующие работу нейронов мозга, позволяют создавать энергоэффективные устройства для искусственного интеллекта и машинного обучения.

Миниатюризация — технология 2 нм уже в разработке, она позволит разместить еще больше транзисторов на единице площади, что увеличит производительность чипа и снизит энергопотребление.

Гибкие и прозрачные микросхемы — такие футуристические интегральные схемы открывают новые возможности для носимой электроники, умных окон и дисплеев.

Какие еще открытия ждут человечество в мире микроэлектроники — покажет время. С точки зрения физики кажется, что производство уже почти подошло к непреодолимому барьеру в уменьшении размера транзисторов. Диаметр атома кремния составляет около 0,24 нм, а один из крупнейших производителей проводников TSMC уверяет, что к 2030 году выйдет на техпроцесс 1 нм. Здесь 1 нм скорее маркетинговый термин и не имеет отношения к геометрии транзистора. Однако, похоже, предел развития кремниевых микросхем уже совсем близко.

Посмотрим, чем ученые ответят на вызов законам физики. Возможно, именно вы сможете им помочь, если захотите стать специалистом в индустрии микроэлектроники. Изучить азы можно на бесплатном онлайн-курсе по схемотехнике. В конце обучения вы соберете свои первые электронные устройства — без пайки и программирования.