TechSavvyZone

Инженеры IBM являются пионерами в области создания автоматизированных средств проектирования электронных устройств, позволяющих сократить количество ошибок и ускорить время проектирования.

Поскольку ИС начали включать сотни вентилей и тысячи транзисторов, компьютеры, которые они позволяли использовать, были задействованы для ускорения задач проектирования и устранения ошибок. Этот процесс называется CAD (Computer Aided Design) или EDA (Electronic Design Automation).

IBM стала пионером EDA в конце 1950-х годов, создав документацию для компьютеров серии 700. К 1966 году Джеймс Кофорд и его коллеги из IBM Fishkill записывали проекты гибридных схемных модулей SLT (1964 Milestone) на графических дисплеях, проверяли их на наличие ошибок и автоматически преобразовывали информацию в шаблоны масок. После того, как Кофорд присоединился к Fairchild R&D, он работал с Хью Мэйсом, Эдом Джонсом и другими, чтобы применить этот процесс к монолитным ИС. Их усилиями были созданы логические симуляторы (FAIRSIM), генераторы тестовых программ, а также программное обеспечение для размещения и маршрутизации вентильных матриц и стандартных ячеек (1967 Milestone) , которые заложили основу для поколений инструментов EDA.

Два важных проекта EDA возникли вне мейнстрима отрасли. Ларри Нагель и Дональд Педерсон, с более поздним вкладом Ричарда Ньютона, в Калифорнийском университете в Беркли разработали программу моделирования схем SPICE (Simulation Program with IC Emphasis) в 1960-х годах. Новая методология, описанная в 1979 году в книге Introduction to VLSI Systems Линн Конвей из Xerox, PARC и Карвера Мида из Калифорнийского технологического института, демистифицирует процесс проектирования микросхем для проектировщиков систем.

Коммерческие пакеты логического синтеза от Cadence и Synopsys в 1980-х годах были стимулированы исследованиями в UC Berkeley (SIS), UCLA (RASP) и Университете Колорадо в Боулдере (BOLD). Это, вместе с достижениями в области размещения и маршрутизации, логического моделирования и проверки правил проектирования от других поставщиков, позволило производительности проектирования ИС идти в ногу с растущей сложностью устройств.

Директор по исследованиям и разработкам компании Fairchild прогнозирует темпы увеличения плотности транзисторов в интегральной схеме и устанавливает критерий технологического прогресса.

Гордон Мур, директор по исследованиям и разработкам Fairchild Semiconductor, написал внутренний документ, в котором он провел линию через пять точек, представляющих количество компонентов на интегральную схему для минимальной стоимости компонента, разработанного в период с 1959 по 1964 год. «Будущее интегрированной электроники» попыталось предсказать «развитие интегрированной электроники, возможно, на ближайшие десять лет». Экстраполируя тенденцию на 1975 год, он спрогнозировал, что количество компонентов на чип достигнет 65 000; удваиваясь каждые 12 месяцев. Отредактированная для публикации в виде журнальной статьи, «Впихивание большего количества компонентов в интегральные схемы» была опубликована в Electronics 19 апреля 1965 года.

На Международном собрании IEEE по электронным приборам 1975 года Мур, к тому времени работавший в Intel, отметил, что достижения в области фотолитографии, размера пластины, технологии процесса и «умения схем и устройств», особенно в массивах полупроводниковой памяти, позволили реализовать его прогноз. Добавив более свежие данные, которые включали более высокую смесь конструкций микропроцессоров, которые были несколько менее плотными, чем память, он замедлил будущие темпы увеличения сложности до «удвоения каждые два года, а не каждый год».

Это предсказание стало самоисполняющимся пророчеством, которое стало одним из движущих принципов полупроводниковой промышленности. Технологам было поручено ежегодное достижение прорывов, которые гарантировали бы соблюдение «закона Мура», как его окрестил Карвер Мид. При повторном рассмотрении состояния отрасли в 1995 году (когда микропроцессор Intel Pentium содержал около 5 миллионов транзисторов) Мур пришел к выводу, что «текущий прогноз заключается в том, что это не прекратится в ближайшее время». Сегодня существуют устройства, превышающие один миллиард транзисторов.

Крупные производители компьютеров анонсируют машины на базе индивидуальных и специализированных интегральных схем.

Большие электронные системы обработки данных для деловых и научных приложений называются компьютерами «мэйнфрейм». В 1960-х годах поставщики мэйнфреймов выделяли свои системы на рынке с помощью фирменного оборудования, операционных систем и прикладного программного обеспечения. Они требовали компоненты, предлагающие уникальные функции и значительно более высокую скорость (1961 Milestone), чем доступные в настоящее время семейства логических схем общего назначения. (1963 Milestone) Поскольку эти системы предлагали возможности для бизнеса в области крупносерийного производства, команды инженеров Fairchild, Motorola, Signetics, TI и других вручную создавали семейства заказных и специальных ИС для этих приложений.

Некоторые из самых ранних конструкций мэйнфреймов, использующих монолитные ИС, были Burroughs B2500/3500, анонсированные в 1966 году, RCA Spectra 70 series (1965) и Scientific Data Systems Sigma 7 (1966). Инженеры Burroughs сотрудничали с Робертом Сидсом из Fairchild для разработки семейства комплементарной транзисторной логики (CTL), которое также использовалось в серии 3000 компании Hewlett-Packard. RCA разработала схемы токового режима (CML) внутри компании и сотрудничала с поставщиками ИС для их производства. SDS работала с Signetics и другими над семейством из шести устройств. CDC, General Electric, Honeywell, IBM, NCR, SDS и Univac также разработали специальные семейства схем.

В 1962 году Ян Наруд возглавил разработку семейства MECL (Motorola Emitter Coupled Logic) компании Motorola, монолитной реализации сверхбыстрых логических схем IBM на основе транзисторов. Хотя они предлагались в качестве стандартных продуктов, дорогие многослойные печатные платы и требования к охлаждению системы ограничивали использование ECL в основном высокопроизводительными научными компьютерными приложениями в Control Data Corporation, Cray, GE, Hitachi, ICL и других. В 1976 году каждая машина Cray 1 потребляла 250 000 пакетов двойных вентилей ECL F100K от Fairchild, которые обеспечивали время переключения менее 1 нс на вентиль.

Формат корпуса с двухрядным расположением выводов (DIP) значительно упрощает разводку печатной платы и снижает стоимость сборки компьютера.

Большинство полупроводниковых приборов заключены в керамические, металлические или пластиковые корпуса, чтобы предотвратить повреждение чипа и его хрупких соединительных проводов.

Несмотря на эту важную функцию, корпусирование было одним из самых игнорируемых аспектов проектирования полупроводников. Программы задерживались, потому что чип был слишком большим или потреблял слишком много энергии для указанного корпуса. Типичные транзисторы 1960-х годов использовали металлические корпуса TO-5 или TO-18 (Transistor Outline) с тремя внешними выводами. Более дешевые пластиковые версии обслуживали приложения, не требующие герметичного уплотнения. Fairchild монтировала свои первые микросхемы Micrologic в такие транзисторные корпуса, модифицированные для размещения до 10 выводов. Юнг Тао из Texas Instruments разработал 10-выводной плоский корпус размером 0,25 на 0,125 дюйма, чтобы занять наименьшую возможную площадь платы в системах авионики.

Большинство этих итераций корпусов были получены из существующих форматов, которые не были задуманы для конструкций плат высокой плотности. В 1965 году Дон Форбс, Рекс Райс и Брайант («Бак») Роджерс из Fairchild разработали 14-выводной керамический корпус Dual-in-Line (DIP) с двумя рядами выводов на расстоянии 100 мил друг от друга, который произвел революцию в производстве компьютеров, упростив компоновку и позволив автоматическую вставку в печатные платы. Недорогие, отлитые из пластика версии контура DIP доминировали в объемах производства к началу 1970-х годов, и количество выводов увеличилось до 64 выводов.

В то время как большинство конструкций DIP использовали термокомпрессию или ультразвуковую сварку для прикрепления тонких золотых или алюминиевых проводов к чипу, некоторые поставщики экспериментировали с крошечными припойными контактами и вариациями подхода с балочными выводами, изобретенного Мартином Лепселтером из Bell Labs для приложений с высокой надежностью.

Технология многокристальной SLT-корпуса, разработанная для семейства компьютеров IBM System/360, выходит в массовое производство.

В конце 1950-х годов программа Корпуса связи армии США, где RCA была генеральным подрядчиком, разработала гибридные микросхемы как плотные микромодульные сборки электронных компонентов.

Гибридные схемы включают один или несколько транзисторных чипов и пассивных компонентов, установленных на керамических подложках и соединенных между собой проводами или токопроводящими дорожками. После внедрения монолитных ИС функции, которые требовали высокоплотной упаковки и которые не могли быть интегрированы по экономическим или техническим причинам, продолжали производиться как гибриды. Примерами служат прецизионные аналоговые устройства, автомобильные элементы управления и ранние полупроводниковые запоминающие устройства.

IBM разработала технологию Solid Logic Technology (SLT) для семейства компьютеров System/360 в 1964 году, до того как монолитные ИС стали соответствовать требованиям стоимости и скорости больших компьютеров. Транзисторные чипы и пассивные компоненты, установленные на квадратных керамических модулях размером 0,5 дюйма с вертикальными штырьками, потребляли меньше энергии и места, обеспечивая при этом более высокую скорость и превосходную надежность по сравнению с печатными платами с корпусированными транзисторами. IBM произвела сотни миллионов модулей SLT на высокоавтоматизированном, специально построенном заводе в Ист-Фишкилле, штат Нью-Йорк. Bell Laboratories использовала устройства Beam Lead Sealed-Junction (BLSJ) и тонкопленочные межсоединения (1965 Milestone) для производства гибридных ИС для телефонных систем вплоть до конца 1960-х годов.

Ранние гибридные схемы ручной сборки были трудоемкими и дорогими в производстве, но теперь широко используются в приложениях, где интегрированные устройства не могут соответствовать определенным целям. Многокристальные модули (MCM) и пакеты (MCP) — это современные гибридные схемы машинной сборки, используемые для некоторых высокопроизводительных микропроцессорных и запоминающих приложений, автомобильных систем и радиочастотных приемопередатчиков в сотовых телефонах и беспроводных локальных сетях.

Дэвид Талберт и Роберт Видлар из Fairchild дали старт крупному сектору промышленности, создав коммерчески успешные ИС для аналоговых приложений.

Аналоговые, также называемые линейными, схемы усиливают и обуславливают сигналы от постоянно меняющихся явлений, таких как звук, температура и радиоволны. Из-за почти бесконечного разрешения, необходимого для обработки этих сигналов, аналоговые схемы требуют высокой точности при проектировании и производстве. Аналоговые конструкции операционных усилителей на вакуумных лампах (ОУ) были разработаны на основе концепций, разработанных исследователем Колумбийского университета Лёбе Джули. Первый германиевый транзисторный ОУ появился в 1958 году, а кремниевые версии — в 1960 году. Nexus Research Labs предложила первые предварительно настроенные модули ОУ в 1962 году, за ними вскоре последовали Burr-Brown и Philbrick Researches.

Amelco, Fairchild, RCA, TI и Westinghouse разработали ранние аналоговые ИС. HC Lin из Westinghouse использовал внутрикристальное согласование компонентов и свой боковой патент PNP на заказном операционном усилителе для ракеты Autonetics Minuteman II в 1963 году. Но операционный усилитель Fairchild µA702, созданный в 1964 году командой инженера-технолога Дэйва Талберта и конструктора Роберта Видлара, был первым широко используемым коммерческим продуктом.

Их преемник 1965 года, µA709, создал массовый рынок аналоговых ИС. Талберт и Видлар перешли в Molectro (позже приобретенную National) в конце 1965 года, где они создали линейную династию, начав с LM101. Затем в 1968 году Дэйв Фуллагар из Fairchild усовершенствовал LM101, добавив внутренний компенсирующий конденсатор, чтобы создать µA741 — самый популярный операционный усилитель всех времен.

Производители специализированных аналоговых ИС разработали обширные каталоги усилителей, компараторов, преобразователей данных, устройств управления питанием и многочисленные специализированные схемы для автомобильных, потребительских и коммуникационных приложений. Аналоговые устройства обычно имеют гораздо более длительный жизненный цикл, чем цифровые ИС. Примерами конструкций 40-летней давности, которые широко используются и сегодня, являются операционный усилитель Fullagar µA741 и таймер 555, созданный Гансом Камензиндом для Signetics.