08.04.21

[Домашняя]

Слайсы, которые стали чипами.

О микросхемах

Самые первые микросхемы были совсем не такими, как сейчас. Они изготавливались гибридным способом: на изолирующую подложку напылялись алюминиевые проводники, приклеивались маленькие кристаллики отдельных транзисторов и диодов, малогабаритные резисторы и конденсаторы, и затем все это соединялось в нужную схему тонюсенькими золотыми проволочками — вручную, точечной сваркой под микроскопом. Можно себе представить, какова была цена таких устройств, которые тогда еще не назывались микросхемами — чаще употребляли название микромодули или микросборки. К гибридным микросхемам относятся и некоторые современные типы, к примеру, оптоэлектронные, но, конечно, сейчас выводы отдельных деталей уже вручную не приваривают. Ведущий специалист и один из основателей компании Fairchild Semiconductor Роберт Нойс позднее признавался, что ему стало жалко работников, терявших зрение на подобных операциях, и в 1959 г. он выдвинул идею микросхемы — "слайса" или "чипа" (slice — ломтик, chip — щепка, осколок), где все соединения наносятся на кристалл прямо в процессе производства. Позднее оказалось, что несколько ранее аналогичную идею выдвинул сотрудник Texas Instruments Джек Килби, однако у Нойса технология была разработана более детально (это была так называемая планарная технология с алюминиевыми межсоединениями, которая часто используется, и по сей день). Спор о приоритете между Килби и Нойсом продолжался в течение десяти лет, и, в конце концов, победила дружба: было установлено считать Нойса и Килби изобретателями микросхемы совместно.

В 2000 г. Килби (Нойс скончался в 1990 г.) получил за изобретение микросхемы Нобелевскую премию (одновременно с ним, но за другие достижения ее получил и российский физик Жорес Алферов). Компания Fairchiid Semiconductor в области полупроводниковых технологий стала примерно тем, чем фирма Маркони в области радио или фирма Xerox в области размножения документов. Началось все с ее рождения: восемь инженеров, уволившихся в 1957 г. из основанной изобретателем транзистора Уильямом Шокли компании Shockley Semiconductor Labs, обратилась к начинающему финансисту Артуру Року — единственному, кому их идеи показались интересными. Рок нашел компанию, которая согласилась инвестировать основную часть из требуемых 1,5 миллиона долларов, и с этого момента принято отсчитывать рождение нового способа финансирования инновационных проектов — венчурных (т. е. "рисковых") вложений, что в дальнейшем позволило родиться на свет множеству компаний, названия которых теперь у всех на слуху. Следующим достижением Fairchiid стало изобретение микросхем Робертом Нойсом, и первые образцы многих используемых и поныне их разновидностей были созданы именно тогда (например, в одном из первых суперкомпьютеров на интегральных схемах — знаменитом ILLIAC IV — были использованы микросхемы памяти производства Fairchiid). А в 1963 г. отдел линейных интегральных схем в ней возглавил молодой специалист по имени Роберт Видлар, который стал "отцом" интегральных операционных усилителей, основав широко распространенные и поныне серии, начинающиеся с букв р. и LM (мы о нем уже упоминали в главе 10 в связи с интегральными стабилизаторами питания). В 1965 г. знаменитый Гордон Мур, тогда — один из руководителей Fairchiid входивший вместе с Нойсом в восьмерку основателей, сформулировал свой "закон Мура" о том, что производительность и число транзисторов в микросхемах удваиваются каждые 1,5 года — этот закон фактически соблюдается и по сей день! В 1968 г. Нойс с Муром увопьняются из Fairchiid и основывают фирму, название который теперь знает каждый школьник: Intel. Инвестором новой компании стал все тот же Артур Рок. А другой работник Fairchiid, Джереми Сандерс, в следующем, 1969 г. основывает фирму почти столь же известную, как и Intel — ее "заклятого друга" AMD. Что же дало использование интегральных микросхем, кроме очевидных преимуществ, таких, как миниатюризация схем и сокращение количества операций при проектировании и изготовлении электронных устройств? Рассмотрим, прежде всего, экономический аспект. Первым производителям чи­пов это было еще не очевидно, но экономика производства микросхем отличается от экономики других производств. Если вы закажете архитектору проект загородного дома, то стоимость этого проекта будет сравнима со стоимостью самого дома. Даже если вы по этому проекту построите сто домов, то вы не так уж сильно выгадаете на стоимости каждого — стоимость проекта поделится на сто, но выгода ваша будет измеряться процентами, потому что построить дом дешевле, чем стоят материалы и оплата труда рабочих нельзя, а они то и составляют значительную часть стоимости строительства. В производстве же микросхем картина меняется. Цена материалов, из которых они изготовлены, в пересчете на каждый чип настолько мала, что она составляет едва ли несколько процентов от стоимости конечного изделия. Поэтому основная часть себестоимости чипа складывается из стоимости его проектирования и стоимости самого производства, на котором они изготавливаются — фабрика для производства полупроводниковых компонентов может обойтись в сумму порядка  2— 4 миллиардов долларов. Ясно, что в этой ситуации определяющим фактором стоимости чипа будет количество, которое вы заказываете: обычно, если вы заказываете меньше миллиона экземпляров, то с вами даже разговаривать не станут, а если вы будете продолжать настаивать, то один экземпляр обойдется вам во столько же, сколько и весь миллион. Именно массовость производства приводит к тому, что сложнейшие схемы, которые в дискретном виде занимали бы целые шкафы ценой в десятки тысяч долларов, продаются дешевле томика технической документации к ним. Вторая особенность экономики производства микросхем — то, что их цена мало зависит от сложности. Микросхема операционного усилителя содержит несколько десятков транзисторов, а микросхема контроллера — несколько десятков тысяч, однако их стоимости, по меньшей мере, сравнимы. Эта особенность тоже не имеет аналогов в дискретном мире — с увеличением сложности обычной схемы ее цена растет пропорционально количеству использованных деталей, а в микромире это совсем не так: фактически единственный фактор, который ведет к увеличению себестоимости сложных микросхем по сравнению с более простыми, кроме стоимости проектирования — это процент выхода годных изделий, который может снижаться при увеличении сложности. Если бы не это обстоятельство, то стоимость Pentium не намного бы превышала стоимость того же операционного усилителя. Однако в Pentium, извините, несколько десятков миллионов транзисторов! Это обстоятельство позволило проектировщикам без увеличения стоимости и габаритов реализовать в микросхемах такие функции, которые в дискретном виде было бы реализовать просто невозможно или крайне дорого. Кстати, выход годных — одна из причин того, что кристаллы микросхем такие маленькие. В некоторых случаях разработчики даже рады были бы увеличить размеры, но тогда резко снижается и выход. Типичный пример такого случая — борьба производителей цифровых фотоаппаратов за увеличение размера светочувствительной матрицы. Если бы ее удалось сделать размером с пленочный кадр (24x36 мм), то это одним махом решило бы массу проблем, но на момент написания этой книги самые лучшие (и самые дорогие), матрицы имеют размер только в половину необходимого. Еще одна особенность микросхем — надежность. Дискретный аналог, какого ни будь устройства типа аналого-цифрового преобразователя содержал бы столько паек, что какая-нибудь, в конце концов, обязательно вышла бы из строя. Между тем, если вы эксплуатируете микросхему в штатном режиме, то вероятность ее выхода из строя измеряется милионными долями единицы. Это настолько редкое явление, что его можно практически не учитывать на практике — если у вас сломался какой-то прибор, ищите причину в контактах переключателей, в пайках внешних выводов, в заделке проводов в разъемах — но про возможность выхода из строя микросхемы забудьте. Разумеет­ся, это, повторяю, относится к случаю эксплуатации в штатном режиме — если вы подали на микрофонный вход звуковой карты напряжение вольт в 30 или замкнули выход СОМ-порта на его вход — конечно, в первую очередь пострадает именно микросхема. Но сами по себе они практически не выходят из строя никогда. Наконец, для схемотехников микросхемы обладают еще одни бесценным свойством: все компоненты в них изготавливаются в едином технологическом процессе и находятся в строго одинаковых температурных условиях. Это совершенно недостижимо для дискретных приборов — например, пары транзисторов, для которых желательно иметь идентичные характеристики, ранее приходилось подбирать вручную (такие уже подобранные пары специально выпускались промышленно) и иногда даже ставить их на медную пластину, чтобы обеспечить одинаковый температурный режим. Рассмотрим типичный пример такого случая — так называемое токовое зеркало (рис. 12.2).

Эта схема работает следующим образом. Левый по схеме транзистор представляет собой фактически диод, так как у него коллектор соединен с базой. Из характеристики диода видно, что при изменении прямого тока на нем несколько меняется и напряжение (оно не равно точно 0,6 В).   Это напряжение без изменений передается на базу второго, ведомого транзистора, в результате чего он выдает точно такой же ток — но только при условии, если характеристики транзисторов согласованы с высокой степенью точности. То есть если току 1 мА через первый транзистор соответствует напряжение на его переходе база-эмиттер, равное, к примеру, 0,623 В, то такому же напряжению на переходе второго транзистора должен соответствовать такой же ток. Мало того, это соответствие должно сохраняться во всем диапазоне рабочих температур! Естественно, столь высокая идентичность характеристик практически недостижима для дискретных приборов, а для транзисторов, входящих в состав микросхемы, она получается сама по себе, без дополнительных усилий со стороны разработчиков. Схемы подобных токовых зеркал получили широкое распространение в интегральных операционных усилителях в качестве нагрузки входного дифференциального каскада, что значительно лучше, чем использовать простые резисторы. Их применение вместо резисторов гарантирует повторяемость характеристик ОУ в широком диапазоне питающих напряжений. Отметим также, что ведомых транзисторов может быть много (на рис. 12.2 второй такой транзистор показан серым цветом), их количество ограничивается только тем обстоятельством, что базовые токи вносят погрешность в работу схемы, отбирая часть входного тока на себя. Впрочем, и с этим обстоятельством можно успешно бороться. Кстати, резисторы в микросхемах в некритичных случаях все равно предпочитают делать из транзисторов — сформировать обыкновенный резистор, как проводник с заданным сопротивлением, в процессе производства микросхем значительно труднее, чем соорудить, скажем, полевой транзистор с заданным начальным током стока. По этой причине, если точных значений номиналов резисторов не требуется согласно функциональным особенностям микросхемы, они имеют большой разброс — например, входное сопротивление портов микроконтроллеров AVR может колебаться в пределах от 35 до 100 кОм. Если же все же точные или хотя бы согласованные номиналы резисторов иметь необходимо (как, к примеру, в микросхемах ЦАП и АЦП, то после изготовления микросхемы их приходится специально подгонять с помощью лазера. На рис. 12.2 соединение баз транзисторов не случайно показано необычным способом: в реальности они действительно представляют собой одну структуру, на которую "навешиваются" коллекторы и эмиттеры отдельных транзисторов. В микросхемах могут использоваться такие разновидности транзисторных структур, которые в обычной дискретной жизни не имеют аналогов: скажем, многоэмиттерные или многоколлекторные транзисторы. Для примера на рис. 12.3 приведена схема входного каскада микросхемы транзисторно - транзисторной логики (ТТЛ), осуществляющей логическую функцию ИЛИ.

В этой схеме замыкание любого из трех эмитттеров (или двух, или всех вместе — поэтому функция и называется ИЛИ) на общий провод питания приведет к тому, что транзистор откроется и обеспечит ток через нагрузку (на самом деле нагрузка носит несколько другой характер, но сейчас мы не будем на этом заострять внимание). Кратко рассмотрим общие особенности эксплуатации различных типов микросхем (более подробно о конкретных типах будет рассказано в соответствующих главах). Во-первых, вы, возможно, слышали о том, что микросхемы боятся статического электричества. Действительно, потенциал заряда, накапливающегося на нейлоновом халатике симпатичной монтажницы, одетой к тому же в синтетические юбочку, кофточку и колготки, может составлять тысячи вольт (правда, сама величина заряда невелика). Но не обязательно носить синтетическую одежду — достаточно походить по полу, покрытому обычным линолеумом или недорогим паласом, чтобы накопить на себе вполне достаточный заряд (в дорогих покрытиях это чаще всего предусмотрено и зарядам накапливаться не дают). Такое напряжение, конечно, может вывести из строя микросхемы и не только микросхемы — особенно чувствительны к нему полевые транзисторы с изолированным затвором. Так как заряду на выводе затвора у них стекать некуда, то все накопленное на вас напряжение будет приложено к тоненькому промежутку между затвором и каналом, и совсем не исключено, что изолирующий слой окисла кремния не выдержит такого надругательства. Поэтому при монтаже всегда следует соблюдать несколько правил: не носить синтетическую одежду и не использовать синтетические покрытия для пола и монтажного стола (профессиональные монтажные столы вообще покрывают заземленным металлическим листом). Неплохую гарантию дает заземление корпуса паяльника, но на практике это осуществить непросто, учитывая, что заземление, как таковое, в наших домах отсутствует. Можно также привести еще несколько рекомендаций:

1 - не хвататься руками за выводы микросхем без нужды. При необходимости их формования взять микросхему в левую (для левшей — в правую) руку так, чтобы пальцы касались выводов питания;

2 - первыми всегда следует припаивать выводы питания микросхемы (для дискретных транзисторов — эмиттер или исток);

3 - перед началом монтажа, особенно, если вы только что переодевались, следует подержаться руками за заземленный металлический предмет (водопроводный кран);

4 - при стирке рабочей одежды обязательно использовать антистатик.

Хорошую защиту также дает метод, при котором вы не впаиваете микросхему в плату непосредственно, а устанавливаете ее на панельку. Панельку, естественно, можно совершенно безопасно монтировать любым паяльником, а микросхема устанавливается в самый последний момент. Правда, такой метод снижает надежность конструкции. Однако случаи выхода микросхем из строя от статического электричества все же довольно редки, т. к. производители эту опасность учитывают, и для критичных случаев принимают меры по защите выводов. Самой распространенной мерой является установка защитных диодов по два на каждый вывод так, что один из них присоединен катодом к плюсу питания, а другой — анодом к минусу (рис. 12.4).

Если напряжение на выводе не выходит за пределы питания, то такие диоды не оказывают никакого влияния на работу схемы (или почти никакого, см. ниже). Если же напряжение на выводе выходит за эти пределы, то оно замыкается через соответствующий диод либо на шину питания, либо на общую шину. Кстати, подобный прием позволяет иногда защитить микросхему и от неправильного включения питания — если плюс и минус питания на схеме рис. 12.4 поменять местами, то весь ток пойдет через диоды, и питание упадет до двойного падения напряжения на диоде. Тут весь вопрос в том, насколько долго диоды могут выдерживать прямой ток от источника. В моей практике бывали случаи, когда выдерживали. Наличие защитных диодов следует учитывать. Скажем, микросхемы с комплементарными полевыми транзисторами (КМОП), в статическом режиме и на низких частотах потребляют настолько малый ток, что вполне могут питаться и через защитный диод от входного сигнала, даже если напряжение питания вообще не подключено. Правда, при этом с выходным сигналом творятся всякие чудеса, но все же выглядит это довольно эффектно. Конечно, обычные КМОП-чипы никто в таком режиме не использует, но иногда в микросхему специально встраивают небольшой конденсатор по питанию, который накапливает заряд от входного сигнала и позволяет некоторое время работать — скажем, ответить на запрос. По этому принципу устроены, например, цифровые полупроводниковые датчики температуры фирмы Maxim/Dallas — они могут соединяться с показывающим прибором по двухпроводной линии, по которой передается только сигнал, тащить питание отдельно не требуется. С другой стороны, наличие защитных диодов может приводить к неприятностям. Наиболее распространенная в этом смысле ошибка разработчиков электронных схем состоит в том, что при переходе на резервное питание они в целях экономии отключают питание всех узлов, кроме центрального контроллера, или, к примеру, генератора часов реального времени, забывая при этом отключить у них внешние соединения. Тогда схема начинает потреблять даже больше, чем она потребляла в нормальном режиме: если на выходе контроллера есть напряжение, а микросхема, ко входу которой этот выход подсоединен, обесточена, то указанный выход оказывается фактически замкнутым накоротко через защитный диод на шину питания. Мне могут возразить, что на шине питания при выключенном источнике потенциала нет и току течь некуда — действительно, если питание оборвано, то плюсовая и минусовая шины вроде бы никак не связаны между собой, и "плюс" питания обязан "висеть в воздухе". Именно так, очевидно, рассуждают и наши горе - схемотехники, однако это рассуждение справедливо только в теории. На практике же шины питания связаны между собой, как минимум, фильтрующими конденсаторами большой емкости, которые для маломощного сигнала все равно, что проволочная перемычка — в момент начала процесса заряда конденсатор равносилен короткому замыканию). Обо всем этом не следует забывать, если вы хотите обеспечить действительно экономичный режим. В некоторых случаях защитные диоды не ставят: они все же имеют хотя и очень небольшой, но конечный ток утечки, который может быть важен, скажем, в случае т. н. зарядового усилителя, т. е. устройства, которое измеряет величину накопленного заряда. Часто не ставят их и в микросхемах для обработки высокочастотных сигналов или, например, в драйверах зарядки аккумуляторных батарей. Так что на всякий случай, особенно, если вы не уверены в наличии защитных диодов, меры предосторожности следует соблюдать. Некоторые характерные типы корпусов микросхем приведены на рис. 12.5 и 12.6.