Mikročip (integrirano vezje): definicija, vrste in uporaba

Integrirano vezje (pogosto imenovano mikročip, silicijev čip, računalniški čip ali preprosto čip) je majhen kos posebej pripravljenega silicija (ali drugega polprevodnika), v katerega je s fotolitografijo vtisnjeno elektronsko vezje. Na enem čipu lahko najdemo kombinacije različnih elementov: logična vrata, računalniške procesorje, pomnilnik in posebne periferne ali analogne naprave. Zaradi krhkosti polprevodniškega rezina (die) ga običajno obdaja zaščitna ovojnina — najpogosteje plastična embalaža — iz katere štrlijo kontakti (pini) ali so električne povezave izvedene preko kontaktnih površin (pri SMD in BGA pakiranjih). Notranje povezave med čipom in zatiči so pogosto narejene z drobnimi žičkami (bonding wires) ali s tehnikami flip‑chip.

Kaj prinaša integracija: prednosti in slabosti

Prednosti integriranih vezij so predvsem:

Nižji stroški na komponento zaradi množične proizvodnje in goste integracije milijonov tranzistorjev na majhnem prostoru.
Višja zmogljivost — ker so komponente fizično bližje, so signali hitrejši in zakasnitve manjše.
Nižja poraba energije na funkcijo pri sodobnih tehnologijah in izboljšanem upravljanju napajanja.
Zanesljivost in enostavnejša proizvodnja kompleksnih sistemov (npr. SoC), saj se zmanjša število zunanjih povezav.

Slabosti pa vključujejo:

Visoke začetne stroške razvoja in proizvodnega orodja (mask in procesu), kar pomeni, da je smiselno le pri velikih količinah.
Omejitve pri popravilu — če en del čipa odpove, je običajno treba zamenjati celoten modul.
Toplotni izzivi — visoka gostota moči zahteva učinkovito odvajanje toplote.
Varnostne in zanesljivostne zahteve (ESD zaščita, testiranje, verifikacija), ki so kompleksne pri visoki integraciji.

Vrste integriranih vezij

Integrirana vezja lahko razdelimo glede na funkcijo in arhitekturo. Najbolj pogoste kategorije so:

Digitalna vezja — izvajajo logične operacije, primeri so mikroprocesorji (CPU), grafični procesorji (GPU), digitalni signalni procesorji (DSP) in logična polja (FPGA).
Analogna vezja — obdelujejo neprekinjene (analogne) signale; vključujejo ojačevalnike, regulacijske vezave, pretvornike toka in ostale senzorske vmesnike.
Mešano‑signalna vezja — združujejo analogne in digitalne funkcije na istem čipu (npr. ADC, DAC, RF front‑endi ter sistemi za brezžično komunikacijo).
Specializirani čipi:
- ASIC (Application‑Specific Integrated Circuit) – namenski čipi, optimizirani za specifično nalogo.
- SoC (System on Chip) – vsebujejo celoten sistem (CPU, pomnilnik, vmesnike) na enem silicijevem rezinu; pogosti v telefonih in vgrajenih sistemih.
- Microcontroller (mikrokontrolerji) – vgrajeni sistemi z nizko porabo, namenjeni nadzoru in upravljanju naprav.

Proizvodnja in pakiranje

Postopek izdelave integriranih vezij vključuje več stopenj:

Rastoči silicijev kristal, rezanje na rezine (wafer).
Serija fotolitografskih in dopirnih korakov za oblikovanje tranzistorjev, upornikov, kondenzatorjev in medpovezav na waferju.
Testiranje na waferju (wafer probing), rezanje na die in izbira delujočih kosov.
Pakiranje (encapsulation) — izbiramo med standardi: DIP, SOIC, QFP, BGA, po površinskem montažnem (SMD) standardu ipd.
Končni testi, programiranje (pri pomnilnikih in mikrokontrolerjih) ter procesi za izboljšanje zanesljivosti (burn‑in testiranje).

Napredek v litografiji (npr. UV, immersion, EUV) ter v strukturah tranzistorjev (FinFET, GAA) omogoča manjše tranzistorje, večjo gostoto in boljšo učinkovitost, vendar tudi večje izzive pri proizvodnji in stroške orodij.

Uporaba integriranih vezij

Integrirana vezja so prisotna v skoraj vseh sodobnih elektronskih napravah:

Potrošniška elektronika: pametni telefoni, računalniki, televizorji, igralne konzole.
Avtomobilska industrija: krmilniki motorja, varnostni sistemi, infotainment, ADAS.
Telekomunikacije: omrežna oprema, mobilna infrastruktura, sateliti.
Industrijska avtomatizacija in IoT: senzorji, aktuatorji, vgrajeni sistemi.
Zdravstvo: medicinske naprave, diagnostična oprema, nosljive tehnologije.

Osnovni pojmi, ki jih je dobro poznati

Tranzistor — osnovni gradnik sodobnih čipov (npr. MOSFET).
Pomnilnik — vrste: SRAM (hitro, drago), DRAM (dinamično, uporablja se v glavnem pomnilniku), Flash (trajno shranjevanje).
Mooreov zakon — zgodovinska opazka o rasti št. tranzistorjev; danes sooča z omejitvami pri miniaturizaciji.
Toplotno upravljanje — hladilni sistemi, toplotne paste in hladilniki so ključni pri visokozmogljivih čipih.
Varnost in zanesljivost — zaščita pred ESD, testiranje življenjske dobe in odpornost na sevanje (v vesoljski industriji).

Integrirana vezja so temelj sodobne elektronike in računalništva. Razumevanje glavnih vrst, proizvodnih postopkov in praktičnih omejitev pomaga bolje oceniti njihove zmogljivosti in primernost za različne aplikacije.

Polprevodniki

Polprevodnik, kot je silicij, je mogoče krmiliti tako, da omogoča (ali onemogoča) pretok toka. To omogoča izdelavo tranzistorjev, ki lahko nadzorujejo drug drugega. Najdemo jih v številnih gospodinjskih predmetih, kot so radijski sprejemniki, računalniki in telefoni ter številni drugi. Druge polprevodniške naprave vključujejo sončne celice, diode in svetleče diode (LED).

Stranski pogled na dvojni linijski paket (DIP)

Slika plastičnega ploščatega paketa (PQFP)

Izum

V letih 1958 in 1959 sta dva človeka skoraj istočasno dobila idejo o integriranem vezju. Tranzistorji so postali vsakdanja stvar, ki se je uporabljala v gospodinjskih napravah, kot so radijski sprejemniki. Vplivali so na vse, od radijskih sprejemnikov do telefonov, proizvajalci pa so takrat potrebovali manjšo zamenjavo za vakuumske cevi. Tranzistorji so bili manjši od vakuumskih cevi, vendar za nekatere najnovejše elektronske naprave, na primer za vodenje raket, niso bili dovolj majhni.

Nekega julijskega dne je Jack Kilby delal v podjetju Texas Instruments, ko mu je prišlo na misel, da bi lahko iz silicija izdelali vse dele vezja, ne le tranzistorja. Takrat nihče ni vgrajeval kondenzatorjev in uporov v integrirana vezja. To bi spremenilo prihodnost ter olajšalo proizvodnjo in prodajo integriranih vezij. Kilbyjevemu šefu je bila zamisel všeč in mu je rekel, naj se loti dela. Do 12. septembra je Kilby izdelal delujoč model, 6. februarja pa je Texas Instruments prijavil patent. Njihovo prvo "trdno vezje" je bilo veliko kot konica prsta.

V Kaliforniji je imel medtem enako zamisel še en moški. Januarja 1959 je Robert Noyce delal v majhnem zagonskem podjetju Fairchild Semiconductor. Tudi on je ugotovil, da je mogoče celotno vezje vgraditi v en sam čip. Medtem ko je Kilby izdelal podrobnosti o izdelavi posameznih komponent, je Noyce prišel na veliko boljši način povezovanja delov. Zasnova se je imenovala "enotno vezje". Vse te podrobnosti so se obrestovale, saj je 25. aprila 1961 patentni urad podelil prvi patent za integrirano vezje Robertu Noyceu, medtem ko je bila Kilbyjeva vloga še vedno v fazi analize. Danes se priznava, da sta oba moža neodvisno zasnovala to zamisel.

Kmalu sta se pojavili dve vrsti integriranih vezij: hibridno (HIC) in monolitno (MIC). Hibridna vezja so zamrla konec 20. stoletja.

Generacije

Ime	Obdobje	Število tranzistorjev na vsakem čipu (približno)
SSI (integracija majhnega obsega)	začetek šestdesetih let prejšnjega stoletja	en čip vsebuje le nekaj tranzistorjev.
MSI (integracija srednjega obsega)	konec šestdesetih let prejšnjega stoletja	na stotine tranzistorjev na vsakem čipu.
LSI (obsežna integracija)	sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja	več deset tisoč tranzistorjev na čip
VLSI (integracija zelo velikega obsega)	konec 20. stoletja stoletje	več sto tisoč tranzistorjev
ULSI (Ultra-Large Scale Integration)	21. stoletje	več kot 1 milijon tranzistorjev

※ Razlika med VLSI in ULSI ni dobro opredeljena.

Razvrstitev

Integrirana vezja so lahko zapakirana kot DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small-outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) in druge vrste čipov. Nekateri majhni so pakirani za tehnologijo površinskega vgrajevanja. V notranjosti so lahko bipolarni tranzistorji v nenavadnih vezjih, kot so tista, ki potrebujejo zelo visoke hitrosti preklopa. Vendar je večina tranzistorjev MOSFET.

Sorodne strani

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je integrirano vezje?

O: Integrirano vezje, znano tudi kot integrirano vezje ali mikročip, je kos posebej pripravljenega silicija, na katerega je s fotolitografijo izklesano elektronsko vezje.

V: Kateri so primeri naprav, ki so lahko vključene v silicijevo vezje?

O: Silicijevi čipi lahko vsebujejo logična vrata, računalniške procesorje, pomnilnik in posebne naprave.

V: Zakaj je čip obdan s plastično embalažo?

O: Čip je zelo krhek, zato se za njegovo zaščito uporablja plastična embalaža.

V: Kako se vzpostavi električni stik s čipom?

O: Električni stik s čipom zagotavljajo drobne žičke, ki povezujejo čip z večjimi kovinskimi zatiči, ki štrlijo iz ohišja.

V: Kateri sta dve prednosti uporabe integriranih vezij namesto diskretnih vezij?

O: IC imajo dve glavni prednosti pred diskretnimi vezji: ceno in zmogljivost. Stroški so nizki, ker lahko na en čip namestimo na milijone tranzistorjev, namesto da bi gradili vezje s posameznimi tranzistorji. Zmogljivost je večja, ker lahko komponente delujejo hitreje in porabijo manj energije.

V: Katere so različne vrste integriranih vezij?

O: Integrirana vezja lahko razdelimo na analogna, digitalna in vezja z mešanim signalom (analogna in digitalna na istem čipu).

V: Ali je lahko posamezen čip zasnovan za določen namen?

O: Da, čip je lahko zasnovan za določen namen, na primer čip za kalkulator, ki lahko deluje samo kot kalkulator.