Итак, к середине прошлого века в американских компаниях собирают специалистов а также все базовые открытия и изобретения в области твердотельной электроники. Таким образом, эти компании обладают всеми возможностями для «прорыва» (как сейчас говорят) в области полупроводников. Совершенствуются «лабораторные» технологии и оборудование. Улучшаются существующие и разрабатываются новые типы пп приборов. Американские компании первыми организуют серийное производство. Расскажем об этом подробнее.
Вспомним хронограмму развития кремниевой долины из ч.1 в центре которой не случайно находится Fairchild Semiconductor. Приведем результаты только первых месяцев работы этой компании. Налажено производство монокристаллического кремния под руководством Шелдона Робертса (Sheldon Roberts, позднее основал компанию Amelco). Организована работа по разработке диффузионных транзисторов 2-х типов: n—p—n возглавил Гордон Мур (Gordon Moor) и p—n—p под руководством Жана Хёрни (Jean Hoerni). Мур также проработал характеристики алюминия для контактов (звучит не громко но специалисты понимают значимость этой работы). Внедрена в производство фотолитографическая технология, руководители Джэй Ласт (Jay Last) и Роберт Нойс (Robert Noyce). Компания производит собственное технологическое и измерительное оборудование, этим занимаются: Джулиус Блэнк (Julius Blank), Виктор Гринич (Victor Grinich), Евгений Клейнэр (Eugene Kleiner). В результате только Fairchild смогли сделать транзистор с особыми характеристиками которые были затребованы IBM Federal Systems Division. Единственный поставщик получает заказ от IBM на 100 транзисторов по цене 150 американских долларов за каждый. Тем же Fairchild отдают заказы на транзисторы для баллистических ракет “minuteman”. Последнее стало возможным за счет внедрения в производство идей Жана Хёрни, а именно использование дифузионно-планарной технологии и применение SiO2 как пассивирующего (защитного) слоя. Отметим что Жан Хёрни внес существенный вклад в развитие планарной технологии и еще многие другие его идеи внедренные в пп производство общепризнаны важнейшими инновациями.
Работают и другие компании. Происходит уже обычный для индустрии «обмен опытом», добровольная и не, передача разработок и технологий, перемещение специалистов и т.п.
В 1961г уже известный Джэк Килби из “Texas Instruments” (TI) доработав свои первые ИС (меза-структуры соединенные золотыми перемычками) получает «планарные» ИС в которых приборы соединены дорожками вытравленными фотолитографическим методом в напыленном слое металла. В том же году, коллега Килби, Харви Крэгон (Harvey Cragon) построил компьютер для ВВС США на базе «587-й» ИС от TI которая функционально заменяла схему из 8500 транзисторов. Это событие демонстрировало преимущество интеграции схем для вычислительных устройств.
Появлялось и множество трудностей с которыми приходилось справляться без промедления. Например, как изолирвать отдельные приборы планарных ИС? Найденное решение применять изолирующий p—n переход используется и сейчас. Долгие годы не могли получить стабильные МОП транзисторы (англ. MOSFET) и первые положительные результаты достигнуты только в 1959г когда в Bell Labs получены n и p-канальные полевые транзисторы с изолированным затвором. Серийные же МОП транзисторы появились на рынке только в 1964г. Кремниевые транзисторы отставали от германиевых собратьев по скорости переключения и эту проблему удалось решить Жану Хёрни (Fairchild) в 1961г (транзистор 2N709) благодаря чему Fairchild в 1964г получают крупнейший на тот момент заказ (более 10 миллионов транзисторов) в истории пп от производителя вычислительных машин Control Data Corporation.
1963-й стал годом начала серийного производства ИС стандартных логичеких элементов (диодно-транзисторная логика — ДТЛ и транзисторно-транзисторная логика — ТТЛ). Здесь преуспели: Fairchild (ТТЛ серия 9300), TI, Signetics (ТТЛ серия 8200). Логические ИС относятся к классу цифровых так как работают только с двумя сигналами, логическими «0» и «1» (основа двоичного кода). Логические ИС были прародителями арифметико-логических устройств (АЛУ) которые являются «мозгом» процессоров и контроллеров.
В том же 1963г, в исследовательской лаборатории Fairchild появляется КМОП технология (англ. CMOS) и быстро находит применение в производстве полупроводниковой памяти ОЗУ (англ. RAM). Fairchild патентует первую такую ОЗУ на 64 бита. В этом же году, по технологии КМОП, General Microelectronics (GMe) создает комплект из 23 микросхем (позднее получает название микропроцессорный комплект — МПК, англ. chipset) для калькуляторов Victor Comptometer. Пройдет 11 лет и в 1974г функционал этого МПК (23 микросхемы) упакуют в однокристальную микросхему. Это сделали сразу две компании, TI и Mostek. А в 1975г по КМОП технологии компания RCA создает известный процессор COSMAC 1802 который применялся для управления двигателем в автомобилях Крайслер. Сегодня КМОП технология доминирует в производстве цифровых ИС за счет наименьшего энергопотребления КМОП-приборов.
1964г, событие в семействе аналоговых ИС, начинается серийное производство операционных усилителей (µA702, 709 и 741 от Fairchild и LM101 от Molectro).
1965г, создание полупроводниковой ПЗУ памяти (англ. ROM). Первые микросхемы ПЗУ на 256 бит (биполярная ТТЛ) производит Sylvania по заказу Honeywell. Примечательно, что эти первые ПЗУ програмировались процарапыванием дорожек соединяющих логические элементы. Уже в следующих ПЗУ такой приметивный метод программирования сменила индивидуальная (своя под каждую программу) фотомаска. В том же 1965г в GMe разработана 1024 битная МОП ПЗУ. В начале 70-х, Fairchild, Intel, Motorola, Signetics и TI предлагают биполярные 1024 битные ПЗУ в то время как AMD, AMI, Electronic Arrays, General Instrument, National Semiconductor, Rockwell и другие производят 4096 битные МОП ПЗУ. Важным было появление ПЗУ перезаписываемой при помощи электрического сигнала (англ. EEPROM) в Hughes Microelectronics 1976-1978г. Вскоре после, такую память начали производить Intel (1978г) и японская Toshiba (1980г). А в 1987г появляются SSD-накопители которые сегодня имеет почти каждый из нас (USB флешки/диски). Догоняет прогресс и в производстве ОЗУ. В 1968г Fairchild пакуют свои кристаллы ОЗУ в гибрид повышая общую емкость до 1024 бит. Тем же путем идут Computer Microtechnology, Intel, Motorola и TI. Затем Джоэл Карп (Joel Karp) из GMe разработал схему динамической синхронизации (англ. DRAM) которую применили Fairchild для создания однокристальной ОЗУ объемом 256 бит, годом позже (1969г) объем доведен до 2048 бит. С начала 70-х полупроводниковая ОЗУ начала вытеснять ферритовую. В 1973г с использованием процесса ионной имплантации Mostek выдали 4-х кбитную МК4096. Напомним что сегодня объемы одного кристалла ОЗУ достигают гигабайт а их основными производителями являются 4 компании, две южнокорейские, Samsung и SK Hynix плюс две другие на Тайване, Micron и Nanya.
В 1967г происходит «большое разделение труда». Сначала от производства приборов отделяется оборудование. Позднее принимается инициатива компании “Applied Materials” согласно которой изготовители оборудования также занимаются и разработкой техпроцессов. Как следствие, приобретение оборудования с технологией стало возможным для многих. В приборостроении, разработчики (позднее получили название безфабричники, англ. fabless) отделились от производственников. У последних выделяются свои направления, монокристаллические материалы и подготовка пластин, производство самих пп приборов на пластинах (наиболее сложный и ресурсоемкий этап) и завершающие цикл: корпусирование, испытания и измерения параметров. Эти события способствуют появлению компаний нового типа в пп индустрии. Много в Азии, например контрактные “wafer fab” (от земледелия вчера к хайтеку сегодня) и компании по корпусированию кристаллов. Закономерно что такие производства (отдельные звенья производственной цепочки) изначально являются очень зависимыми от разработчиков-заказчиков а также от предшествующих и последующих производственных звеньев и уже немало случайных новичков желающих поработать как “wafer fab” превратили свои инвестиции в горы материалов для вторичной переработки. Здесь скажем про многочисленных корпусировщиков простых приборов которых часто принимают за серьезных производителей (название компании на корпусе) но, на самом деле они практически не участвуют в создании прибора. Отметим что в последние 2 десятилетия «хозяева» полупроводниковых производств вычистили с рынка почти всех «гаражников-корпусировщиков». С этого времени (после разделения труда) полупроводниковая промышленность обретала все более непрозрачную структуру. Разбираться «кто есть кто» становилось все сложнее.
1968г добавляет новый тип пп приборов, аналогово-цифровые (АЦП) и цифрово-аналоговые преобразователи (ЦАП) которые осуществляют преобразование аналоговых сигналов в цифровые и наоборот. Первыми такими приборами были 10-ти битные источники тока (µA722) от Fairchild а позднее в 70-е были разработаны целые семейства аналогичных приборов. Ими занимались такие компании как: Analog Devices, AMD, Harris, Intersil, Motorola, National Semiconductor, Precision Monolithics (PMI), TI, TRW. Более старшие читатели помнят как на смену виниловым пластинкам и кассетам с магнитной лентой пришли диски (CD, DVD и т.д) которые и обязаны своим появлением вышеупомянутым приборам и еще пп лазерам которые появились в поздних 70-х.
В середине 60-х начинает активно использоваться гибридная технология по которой производятся так называемые ГИС (гибридные ИС). Фактически ГИС.это сборка из кристаллов соединенных между собой и упакованных в один корпус. Такое решение является весьма удачным так как интеграция в один кристалл имеет ограничения, технологические а иногда экономические. ГИСы более функциональны чем однокристальные приборы и их применение существенно уменьшает размеры плат с электронными компонентами. Сегодня гибридная технология используется для производства большинства процессоров.
Здесь и расскажем более подробно об этих пп приборах которыми мы везде окружены в наше время.
И так, ГИСами процессоры стали позднее а сначала появились однокристальные микропроцессоры (МП). К 1971г собираются все возможности чтобы интегрировать функции центрального процессорного устройства (ЦПУ, англ. CPU) в одну микросхему и появляется первый серийный процессор Intel 4004 а уже годом позже более производительный Intel 8008. В середине 70-х процессоры начинают производить другие компании: Motorola, Zilog, National, TI. Позднее МП добавят дополнительные функции позволяющие им работать с достаточно мощными внешними устройствами напрямую и появится разновидность процессора — микроконтроллер (МК, англ. MCU). МК начали применять в различной бытовой технике а в наше время они являются самыми распостраненными пп приборами, особенно с появлением т.н. интернета вещей («умные» дома, телевизоры, холодильники и другие «умники»).
Вернемся к процессорам и здесь придется сказать несколько слов об операционных системах (ОС) для компьютеров так как ОС и процессоры тесно связаны между собой. В 1978г Intel выпускает 16-ти битный процессор 8086 который положил начало т.н. Х86 семейству процессоров. Под Х86 подразумеваются взаимосвязанные: схема процессора (архитектура) и набор команд или инструкций (собственный язык процессора). Intel патентует Х86 и вот уже более 40 лет продает лицензию. Именно этот процессор и выбирают IBM для своего проекта IBM PC, а Microsoft очень своевременно предлагают нужное ПО (MS-DOS+приложения под Intel 8088/8086) и первым массовым персональным компьютером в начале 80-х прошлого века становится именно IBM PC c PC-DOS (переименованная MS—DOS от Microsoft). Справедливости ради отметим что IBM поступили очень демократично предложив своим покупателям выбор из 4-х ОС, PC-DOS стоимостью 40 долларов а также другие три ОС но уже с трехзначными ценниками. Известно что сегодня Windows имеет 70% пользователей компьютеров а ее верным спутником вот уже 40 лет являются Х86 процессоры которые все эти годы рядовой пользователь ПК выбирает между Intel и AMD, несмотря на разнообразие производителей компьютеров. Отметим что на заре развития компьютерной электроники создавались устройства с различными ОС (не только майкрософт и яблочная ОСы) а в их начинке работали процессоры с другими архитектурами (SPARC, RISС, Power и др.). Тогда яблочникам пришлось приложить не мало усилий чтобы их MAC занял 2-е место после IBM PC, ту же позицию (2-е место после компъютеров с ОС от Майкрософт) они удерживают и сегодня (20% пользователей). Добавим что в яблочных ПК применялись процессоры с разными архитектурами и компания успела поработать со многими производителями процессоров но, Х86 все таки настигли их в 2006 и макинтоши с процессорами интел выпускались до 2021 после чего «яблоко» перешли на процессоры собственной разработки.
В более поздней истории путь ПК повторили смартфоны (по сути планшетные пк с функцией телефона). После «упорядочивания» в нише коммуникационных устройств возникает другой неразлучный союз, процессоры с архитектурой ARM+андроид ОС. Другой альтернативой здесь также являются яблочники со своими процессорами.
Напомним что ARM-лицензия (комманды+ядра Cortex) как и Х86 не является бесплатной.
Сегодня существует проект RISC—V который обещает быть безлицензионным и приглашает всех желающих поучаствовать. Данный проект подразумевает (на сегодня) что производить процессоры RISC-V смогут все у кого есть для этого возможности. В RISC-V участвует известная Qualcomm а не так давно присоединились Linux. Однако, на данный момент ситуация остается неизменной, если «процессорный новичек» решит делать коммерческие процессоры (т.е. которые дружат с популярными ОС) то придется приобретать дорогостоящие лицензии попадая в зависимость от их поставщика.
Назовем компании которые производят наиболее применяемые сегодня процессоры и те которые могут их производить..
И так, серверные процессоры при помощи которых происходит поиск и распределение информации в сетях (в т.ч. сети интернет), они же являются самыми сложными и дорогими пп приборами. Их предлагают: IBM, HP, Oracle, Fujitsu и вездесущая пара Intel / AMD. Процессоры последних двух производителей уровнем ниже серверного, как уже говорилось выше, присутствуют в каждом компьютере с виндоус. Для смартфонов и планшетов на андроид сегодня в основном используются процессоры от гиганта Qualcomm, за ними следуют процессоры от безфабричных Media Tek (подразделение UMC по разработке микросхем до 1997г, далее существует как отдельная компания). Хорошо известные Apple процессоры производятся сегодня на фабриках TSMC и Samsung. Свои разработки имеют Google и Microsoft, малоиспользуемые сегодня. Samsung также производят свои процессоры (серия Exynos), по возможности начиняя ими все южнокорейское. Китайская Huawei имеет свою серию процессоров Kirin но, они не нашли широкого применения даже в собственных устройствах. Другие китайцы активно работают следуя указаниям «процессорного импортозамещения». Отметим здесь компанию-разработчика Shanghai Zhaoxin Semiconductor Co.(безфабричники, используют лицензию Х86). Разработки Zhaoxin (уровень Intel/AMD примерно 12-ти летней давности) производятся на братской Shanghai Huali Microelectronics Co. Другая китайская пара безфабричников, Hygon (сотрудничество с AMD приостановлено американским правительством) и Loongson (пока безуспешное создание собственных Х86 аналогов Intel/AMD). Известны также разработки российских безфабричных компаний, МЦСТ (линейка процессоров «Эльбрус») и Baikal Electronics (процессоры «Байкал»). Практически все мы мы сегодня являемся пользователями (иногда невольными) персональных компъютеров и коммуникационных устройств и хорошо знаем какой нам предлагается «выбор». В процессорной теме напрашивается короткое резюме, «чужие здесь не ходят».
Микроконтроллеры. Их производителей множество но, большинство из них используют архитектуры ARM и MIPS, особенно что касается МК для интернета вещей. А многочисленные сегодня индустриальные устройства, настраиваемые при помощи компьютера содержат в себе «старые добрые» Intel/AMD с Х86.
Если о процессорах то самое время вспомнить про размеры элементов в технологии пп. Элементы это области составляющие пп приборы от размеров которых зависит степень интеграции, то есть количество приборов которое возможно сформировать на кристалле с заданными размерами. Например, первый серийный процессор Intel 4004 содержал 2300 транзисторов на кристалле 3×4 мм с размером элементов порядка 10 микрон. Размеры элементов в свою очередь зависят от типа (соответственно возможностей) фотолитографического (ФЛ) оборудования. Сегодня они таковы, передовой ASML (EUV-типа) способен рисовать линии толщиной 1.8нм (10-9 м) а японский Canon 5нм. Китайский литограф от SMEE (Shanghai micro electronics equipment group) обеспечивает 28нм (по информации производителя) но так как использоваться он будет только для собственных потребностей, его реальные характеристики останутся секретом на неопределенное время. Толщину линий ФЛ сегодня принято называть «размером техпроцесса». Все наверное слышали, «мы делаем чипы по техпроцессу 5нм, TSMC строит завод под техпроцесс 2нм» и т.п. Подход «чем меньше тем лучше» нужен в основном процессорам и матрицам памяти, так как количество элементов соответственно влияет на производительность процессора и объем памяти. Однако существуют физические пределы когда при дальнейшем уменьшении областей прибора он уже не будет работать. Приборостроители поговаривают что это единицы нанометров, т.е. размеры которых сегодня уже достигли.
Приведем некоторые хронологические ориентиры по степени интеграции ИС: 1980-е, 300 тысяч транзисторов на кристалл (ИС 32-х битного процессора); 1990-е, 3 000 000 транзисторов/кристалл; 2000-е, 600 000 000; 2010-е, 8 000 000 000; сегодня маркетологи передовиков «пуляют» цифру = 150 000 000 000.
Какие еще полупроводниковые приборы существуют, какие компании и в каких странах их производили и производят сегодня, об этом в следующей части статьи.
Оставить комментарий