Хронология увеличения транзисторов в процессоре. Микроэлектронные кремниевые компьютерные «чипы» выросли в возможностях от одного транзистора в 1950-х годах до миллиардов транзисторов на чип в современных микропроцессорах и запоминающих устройствах. От первого задокументированного полупроводникового эффекта в 1833 году до перехода от транзисторов к интегральным схемам в 1960-х и 70-х годах.
Период 1950-2020 гг.
Реклама часов Microma LCD 1975 года
Цифровые часы Microma с жидкокристаллическим дисплеем (ЖК-дисплеем) — это первый продукт, в котором целая электронная система интегрирована на одном кремниевом кристалле, называемом «система на кристалле» (System-On-Chip, SOC).Интегральная схема System-On-Chip (SOC) включает в себя все электронные компоненты, включая аналоговые и интерфейсные схемы, необходимые для реализации системы на одном кристалле.
Электронный модуль цифровых часов Hamilton Pulsar
Первое решение SOC развилось из цифровых часов Hamilton Pulsar "Wrist Computer" стоимостью 2100 долларов, представленных на шоу Джонни Карсона в 1970 году. Разработанные Джорджем Тиссом и Вилли Крэбтри из Electro-Data, Inc., часы, содержащие 44 чипа и 4000 соединительных проводов, были печально известны своей ненадежностью, пока инженеры RCA не сократили схему хронометража до одного чипа. Внешние транзисторы по-прежнему требовались для управления энергоемкими светодиодными дисплеями. В 1972-73 годах Microma и Seiko представили маломощные жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), которые продлили срок службы батареи на порядки. Соучредители Intersil Джон Холл и Жан Эрни разработали чип Seiko.
Проектирование «макетной платы» для микросхемы часов Intel 5810 CMOS
Первая настоящая система на кристалле появилась в часах Microma в 1974 году, когда Питер Столл интегрировал транзисторы драйвера ЖК-дисплея, а также функции синхронизации на одном чипе Intel 5810 CMOS. (Веха 1963 года) Часы с ЖК-дисплеем от TI, представленные по цене менее 20 долларов в 1976 году, начали битву на истощение с Timex и десятками других производителей полупроводников, которые вышли на рынок. National и TI были основными игроками в следующем приложении SOC, электронном калькуляторе, но обе отказались от этих дешевых потребительских товаров в пользу азиатских поставщиков, когда цены упали ниже 10 долларов.
Калькулятор NS 600 компании National был продан за 19,95 долларов в 1973 году.
Многие поставщики ASIC (Milestone 1967 г.) в 1990-х годах использовали возможности SOC, встраивая микроконтроллеры (Milestone 1974 г.) и DSP (Milestone 1979 г.) в чипы системного уровня, которые позволяли использовать портативные игры и инструменты, а также обрабатывать речь, передавать данные и производить периферийные устройства для ПК.
Исследователь IBM Роберт Деннард в середине 1980-х годов
1974: Масштабирование правил проектирования процессов ИС количественно определено
Статья Роберта Деннарда, исследователя IBM, посвященная масштабированию процессов на МОП-памяти, ускоряет глобальную гонку за уменьшение физических размеров и производство все более сложных интегральных схем.
Линейное уменьшение размеров маски с каждым шагом вперед в литографических возможностях обеспечивало быстрое решение для повышения скорости и снижения стоимости ИС в 1960-х годах. Томас Стэнли из RCA Research Laboratories опубликовал анализ в 1962 году, отметив, что это было особенно актуально для МОП-транзистора, поскольку его критический размер ограничения скорости, длина затвора, лежал в горизонтальной, а не в вертикальной плоскости биполярных устройств.
Уменьшение размера ячейки DRAM с минимальным размером элемента (1985-2000)
Принципы масштабирования были описаны в статьях 1972 года Брюсом Хоенайзеном и Карвером Мидом из Калифорнийского технологического института, а также Робертом Деннардом и его коллегами из IBM. Но именно статья 1974 года Деннарда и др. привлекла внимание отрасли, оказав в результате глубокое влияние на микроэлектронику. Они отметили, что при масштабировании горизонтальных размеров транзистора в определенное число раз скорость увеличивалась в том же числе раз.
Изображение, полученное с помощью СЭМ, транзистора КМОП с размерами менее 100 нм
В то время, когда МОП-память IBM использовала минимальный размер в 5 микрон, они прогнозировали сокращение до долей микрона. (Человеческий волос имеет диаметр 50-100 микрон) Это была первая попытка связать сокращение геометрии с результирующим снижением мощности и улучшением производительности. Она дала «закону» Гордона Мура (1965 Milestone) научную основу.
Процессор Cell на 234 000 000 транзисторов для Playstation 3
В 1976 году MITI организовал Hitachi, NEC, Fujitsu, Mitsubishi и Toshiba в консорциум, Ассоциацию исследований технологий СБИС, которая приняла концепцию масштабирования и объединила ее с японскими оптическими и сверхчистыми производственными возможностями в глобальной гонке за поставку 64K DRAM (1970 Milestone) к концу десятилетия. Потребляемая мощность при таком большом количестве транзисторов ускорила принятие технологии КМОП. (1963 Milestone) Возможность масштабирования КМОП позволила уменьшить размеры до менее 100 нанометров (0,1 микрона) к 2006 году и поставлять такие чипы, как процессор IBM/Sony/Toshiba Cell с 234 миллионами транзисторов для Playstation 3.
Многокристальная плоскость памяти Fairchild 1024-бит SAM использует шестнадцать 64-битных статических PMOS-чипов RAM (1968)
Динамическая оперативная память Intel i1103 (DRAM) представляет собой первый серьезный полупроводниковый вызов магнитным сердечникам как основной форме компьютерной памяти.
Джон Шмидт разработал 64-битную МОП p-канальную статическую RAM в Fairchild в 1964 году. Программа Fairchild 1968 года SAM (Semiconductor Active Memory) для Burroughs собрала шестнадцать таких чипов на керамических подложках, чтобы сформировать 1024-битные гибридные массивы. Монолитные решения вскоре обогнали этот и подобные многочиповые проекты в Computer Microtechnology, Intel, Motorola и TI (SMA 2001).
Технология кремниевых затворов с p-каналом от Intel с технологией скрытых контактов позволила реализовать 1103 1024-битную память на площади кристалла, вдвое меньшей, чем у конкурирующих DRAM.
Чтобы уменьшить размер чипа, Джоэл Карп из GMe придумал схему динамической синхронизации, которую Ли Бойсел адаптировал для создания 256-битных динамических ОЗУ в Fairchild в 1968 году и 1024- и 2048-битных устройств в Four Phase Systems в 1969 году. Эти и конкурирующие DRAM от Advanced Memory Systems (AMS6001) использовали от 4 до 6 транзисторов на бит.
«Ядра проигрывают ценовую войну» С помощью этой рекламы 1103 DRAM компания Intel настойчиво преследовала цель замены памяти на магнитных сердечниках в основных приложениях памяти компьютеров.
Билл Региц из Honeywell предложил ячейку с 3 транзисторами, которая была реализована Карпом в p-канальном кремниевом затворе Intel (1968 Milestone) . Улучшения, предложенные Тедом Хоффом, разработанные Бобом Эбботтом и отлаженные Бобом Ридом, привели к появлению 1103. Предлагая гораздо более высокую скорость и цену в 1 цент за бит, начиная с 1970 года 1103 быстро заменил технологию магнитных сердечников для основной памяти компьютера. В 1970 году Уолтер Кроликовски из Cogar описал еще более быструю n-канальную DRAM. IBM стала первым производителем, применившим эту новую технологию в System 370/158 в 1972 году.
Роберт Палмер работает на предприятии Sprague Microelectronics над ионным имплантером, который сыграл ключевую роль в успехе 4K DRAM компании Mostek.
Роберт Пробстинг из Mostek использовал ионно-имплантированные резисторы для снижения энергопотребления и размера кристалла, достаточного для упаковки 4К бит (MK4096) в обычный 16-контактный корпус в 1973 году. На уровне 16К (MK4116) в 1976 году Mostek принял однотранзисторную ячейку памяти, запатентованную исследователем IBM Робертом Деннардом, и методы проектирования, описанные Карлом-Ульрихом Штайном из Siemens. Этот подход привел к появлению 64К DRAM от японских и американских поставщиков до конца десятилетия и полупроводниковых систем памяти большой емкости, которые были такими же надежными и более экономичными, чем магнитные сердечники.
Уолтер Шоттки стоит между пионерами транзисторов Джоном Бардином и Уолтером Браттейном
Инновация дизайна повышает скорость и снижает энергопотребление стандартной архитектуры 64-битной TTL RAM. Быстро применяется к новым конструкциям биполярной логики и памяти. С 1963 года сложность устройств TTL (1963 Milestone) выросла в двадцать раз, но скорости переключения остались относительно неизменными при задержках 10-15 нс на затвор.
64-битная оперативная память i3101 Schottky TTL была первым продуктом Intel
Скорость определяется тем, насколько быстро можно удалить заряд, хранящийся в транзисторе. Золотая легировка (1961 Milestone) улучшила этот показатель, но ее было трудно контролировать. В 1964 году Дж. Р. Биард из Texas Instruments (TI) предложил использовать диод металл-полупроводник, называемый диодом с барьером Шоттки (1931 Milestone) , для шунтирования заряда вокруг транзистора. Тед Дженкинс и Гарт Уилсон из Fairchild изготовили такой диод на биполярной интегральной схеме в 1967 году. Одновременно с этим японская Электротехническая лаборатория разработала похожую конструкцию. Дизайнеры Intel Ричард Бон и Х. Т. Чуа использовали диод Шоттки в конструкции первого продукта компании, 64-битной оперативной памяти i3101. Представленное в 1969 году, устройство было почти в два раза быстрее более ранних версий.
Функция затвора ТТЛ Шоттки 74S00, представленная TI в 1971 году
В 1971 году TI представила семейство логических схем TTL серии 74S, использующих диоды Шоттки для достижения задержек вентилей в 3 нс для высокоскоростных приложений. Маломощные версии Шоттки, обозначенные как LS, быстро заменили оригинальные устройства 7400, предлагая ту же скорость при одной пятой потребляемой мощности. Председатель Марк Шеперд описал 7400LS как «единственную самую прибыльную линейку продуктов в истории Texas Instruments». На рынок также вышли AMD, Fairchild, Motorola, National и Signetics. Более поздние поколения, включая Fairchild Advanced Schottky Technology (FAST), объединили диоды Шоттки с процессами оксидной изоляции для задержек менее 2 нс.
Представленный в 1975 году микропроцессор Am2901 с дискретным битовым разделением использовал технологию маломощного процесса Шоттки (LS).
В середине 1970-х годов семейства микропрограммируемых «битовых» процессоров AMD, Intel, MMI и Signetics использовали технологию Шоттки для интеграции структурных блоков БИС для приложений с очень высокой производительностью арифметической обработки.
Федерико Фаггин и Том Кляйн в Fairchild R&D в 1967 году.
Федерико Фаггин и Том Кляйн улучшают надежность, плотность упаковки и скорость МОП-ИС с кремниевой структурой затвора. Фаггин разрабатывает первую коммерческую кремниевую ИС затвора – Fairchild 3708.
Fairchild 3708 — первая коммерческая микросхема с кремниевым затвором, разработанная Федерико Фаггином в 1968 году.
Роберт Кервин, Дональд Кляйн и Джон Сарас из Bell Labs улучшили скорость, надежность и плотность упаковки МОП-транзисторов (1960 Milestone), заменив алюминиевый металлический затворный электрод поликристаллическим слоем кремния в 1967 году. Бойд Уоткинс описал похожую самовыравнивающуюся структуру кремниевого затвора в General Microelectronics в 1965 году, но подача патента была отложена до 1969 года. Будучи руководителем проекта, Федерико Фаггин работал с Томом Кляйном в Fairchild R&D над коммерциализацией технологии для ИС. Затем Фаггин перепроектировал существующую p-канальную 8-канальную аналоговую схему мультиплексора с металлическим затвором, используя новую технологию, и в 1968 году Fairchild представила первую ИС с кремниевым затвором, 3708.
256-битная кремниевая оперативная память i1101 стала первым МОП-продуктом Intel.
После проверки концепции Fairchild, Intel выбрала кремниевый затвор в качестве основной технологии для полупроводниковой памяти, поскольку он обеспечивал в 3–5 раз большую скорость на площади кристалла, в два раза меньшей, чем у обычных МОП. Первое коммерческое МОП-устройство Intel, ОЗУ 1101 на 256 бит, было представлено в 1969 году. Фаггин присоединился к Intel в 1970 году. Добавив скрытый контакт и другие усовершенствования процесса для логических приложений, он смог спроектировать микропроцессорный ЦП 4004, который поместился на кристалле технологического размера.
Фаггин использовал МОП-транзистор с кремниевым затвором, чтобы втиснуть микропроцессор Intel i4004 в 16-контактный DIP-корпус
Новаторская работа Intel по переносу кремниевых затворов в производство создала множество проблем, но дала компании значительное конкурентное преимущество, позволив раннее внедрение высокоплотных динамических ОЗУ. (Веха 1970 г.) Это также позволило разработать память EPROM (Веха 1971 г.) , которую нельзя было экономически реализовать с помощью технологии металлических затворов. В течение пяти лет кремниевые затворы МОП стали стандартным отраслевым процессом для разработки новых ИС-продуктов, заменив биполярную технологию во всех приложениях, кроме самых высокоскоростных.
Система автоматизированного проектирования на базе мэйнфрейма IBM 360/67 в Fairchild в 1967 году
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).
Маска макет чертежа ручной оцифровки системный инструмент
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.
Интегральная система автоматизированного проектирования схем на базе рабочей станции, 1980-е годы
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.
Гордон Мур в Fairchild R&D в 1962 году
Директор по исследованиям и разработкам компании Fairchild прогнозирует темпы увеличения плотности транзисторов в интегральной схеме и устанавливает критерий технологического прогресса.
Эскиз соотношения затрат и времени из блокнота Мура 1964 года
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.
Доктор Мур пересматривает свой прогноз с учетом дополнительных данных, собранных в 1975 году.
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».
Некоторые из микросхем на этой фотографии взяты из статьи 1965 года.
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.
