Сверхбольших интегральных

5. Нестеров П. В. Сверхбольшие интегральные схемы: Проблемы создания и ожидаемые результаты // Зарубежная радиоэлектроника, 1980, № 82.

Большие и сверхбольшие интегральные схемы явились базой для создания как больших электронно-вычислительных машин, обладающих высокой скоростью, так и мини-ЭВМ и микропроцессоров, использование которых в технике передачи данных открывает новые перспективы для обмена информацией. Возникла возможность удовлетворить все возрастающий спрос со стороны удаленных пользователей на телеобработку данных и обмен информацией между разнесенными вычислительными центрами.

Чтобы оценить и проанализировать достижения при создании микроэлектронной аппаратуры, нужно иметь средства измерения, методику и точку отсчета, образец для сравнения. Образцом для сравнения при оценке результатов комплексной миниатюризации микроэлектронной аппаратуры являются достижения полупроводниковой электроники — большие и сверхбольшие интегральные микросхемы со степенью интеграции 106—107 элементов на кристалле площадью 20—30 мм2 (см. § 2.1). Методикой, инструментом для оценок микроэлектронной аппаратуры является определение степени де-зинтеграци показывающей, насколько ухудшается основной показатель (степень интеграции БИС и СБИС) при установке их в аппаратуру (см. § 2.2).

I. Современная элементная база микроэлектроники: большие и сверхбольшие интегральные микросхемы с числом элементов 105—106 на кристалл и более, сверхскоростные микросхемы, СВЧ- и оптоэлектронные приборы. Существующие и разрабатываемые устройства функциональной электроники: кварцевые генераторы, генераторы Ганна, приборы с зарядовой связью, акустоэлект-ронные приборы, электротепловые и оптоэлектронные устройства.

§ 2.1. Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы как основа функционально законченных ячеек, блоков, комплексов и систем

В настоящее время уже выпускаются сверхбольшие интегральные микросхемы памяти с информационной емкостью 256 тыс. бит, содержащие в том же кристалле и схемы управления памятью. В ближайшее время ожидается создание СБИС памяти информационной емкостью 1—4 и даже 8М бит (теоретический предел — 64М бит на кристалле). Созданы быстродействующие логические СБИС, содержащие более 40 тыс. транзисторов и других схемных элементов, из которых составлены 5 тыс. вентилей с временем переключения около

§ 2.1. Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы как основа функционально законченных ячеек, блоков,

сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), число отдельных компонентов в которых может доходить до 10б.

Непрерывное расширение функций электронной аппаратуры и ее усложнение привели в 1958 г. к началу третьего этапа — возникновению микроэлектроники. Задачей микроэлектроники является микроминиатюризации электронной аппаратуры с целью уменьшения ее объема, массы, стоимости, повышение надежности и экономичности на основе использования комплекса физических, конструктивно-технологических и схемотехнических методов. Развитие микроэлектроники связано с повышением степени интеграции элементов интегральных схем. В настоящее время разработаны сверхбольшие интегральные схемы (БИС), содержащие более 105 элементов. Однако сейчас уже становится ясным, что увеличение степени интеграции не может быть беспредельным. Качественно новым решением, которое, в частности, обеспечит повышенную надежность, является отказ от традиционных схемных элементов — транзисторен и переход к использованию объемных эффектов в твердом теле.

Разработка и производство больших и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и СБИС) в значительной степени изменили подход к созданию радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы многократно увеличивают плотность монтажа радиоэлектронной аппаратуры и не могут рассматриваться как совокупность множества полупроводниковых приборов и других элементов, а являются едиными функционально законченными устройствами, возможности которых неограниченны.

По сложности ИС подразделяются на малые, средние, большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (МИС, СИС, БИС и СБИС).

Рассмотрим теперь проектирование интегральных схем (ИС), больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) и автоматизацию их производства.

Еще несколько лет назад Япония, объявляя о своей 10-летней программе создания ВС 5-го поколения, определила его как поколение машин с развитым искусственным интеллектом (ИИ). Однако сроки внедрения элементов ИИ в ЭВМ оказались чересчур оптимистичными. В то же время развитие систем автоматизированного проектирования больших и сверхбольших интегральных схем уже требует внедрения в них элементов ИИ.

Значительный прогресс в электронике заметен в создании больших интегральных схем (БИС). В этих микросхемах количество элементов достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2—3 мкм. Быстродействие БИС измеряется миллиардными долями секунды. Создание БИС привело к появлению микропроцессоров (устройств цифровой обработки информации, осуществляемой по программе) и микро-ЭВМ. В последние годы в нашей стране и за рубежом появились микропроцессоры и микро-ЭВМ, выполненные на одном кристалле. В ближайшие годы ожидается уплотнение компоновки элементов в интегральных микросхемах в 3—5 раз, что приведет к массовому выпуску сверхбольших интегральных схем (СБИС).

; Мурога С. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем: Пер. с англ. — М.: Мир, 1985.

Создаваемая САПР «Электро» ориентируется на технику ЭВМ пятого и последующих поколений, которая основывается на отечественных и зарубежных достижениях и позволит качественно изменить процесс проектирования. В конце 70-х годов была разработана технология производства ЭВМ на передовой элементной базе — сверхбольших интегральных схемах (СБИС), позволившая создать высокопроизводительные ЭВМ, обладающие функциональными возможностями искусственного интеллекта. В запоминающих устройствах элементной базы машин 1980—1981 гг. использовалась память с произвольным доступом емкостью 8 К байт/кристалл (рекорд 1981 г.— схема с плотностью монтажа 450 тыс. транзисторов/кристалл). Для машин пятого поколения (1990 г.) ожидается СБИС 10 млн транзисторов/кристалл.

60-е годы, начало 70-х годов были годами новых качественных изменений в полупроводниковой интегральной электронике, генерации новых идей, технологий, полупроводниковых приборов и устройств. Одновременно это были годы чрезвычайно быстрого роста сложности интегральной электроники: функциональной (от триггера до однокристальной микроЭВМ), конструктивной (от ИМС, содержащих несколько элементов, до больших интегральных схем — БИС, содержащих несколько тысяч элементов на кристалле, и сверхбольших интегральных схем — СБИС, содержащих несколько сот тысяч элементов на кристалле), технологической (минимальный размер элементов снизился с 50 мкм в 1960 г. до 2 мкм в 1980 г. и продолжает снижаться).

Принцип работы. В транзисторах со структурой металл—диэлектрик-полупроводник (МДП) принцип работы основан на модуляции сопротивления проводящего канала на поверхности полупроводника под воздействием эффекта поля (см. § 2.5). МДП-транзисторы со структурой металл— оксид — полупроводник в настоящее время являются основными элементами сверхбольших интегральных схем (СБИС). Они находят широкое применение также в мощных ключевых схемах. МДП-транзисторы являются униполярными приборами, работа которых основана на использовании только основных носителей заряда. Процессы инжекции в МДП-транзисторах не используются. На 3.33 схематически показана конструкция МДП-тран-зистора. В полупроводниковой подложке р-типа сформированы две высоколегированные п"1"-области — исток и сток.

Полупроводниковые приборы и микросхемы служат элементной базой электроники и широко используются в самых различных электронных и микроэлектронных устройствах и системах. Сложные автоматизированные системы построены на микросхемах средней (аппаратура третьего поколения) и большой (аппаратура четвертого поколения) степени интеграции. Стоит задача по расширению применения сверхбольших интегральных схем (аппаратура пятого поколения).

16. Мурога С. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем. 2. М.: Мир, 1985. 291 с.

8. Мурога С. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем: В 2 кн.: Пер. с англ. / Под ред. В. М. Кнсельникова. Кн. 2. — М.: Мир, 1985. — 290 с.

Решение задачи ускорения социально-экономического развития страны требует коренного улучшения профессиональной подготовки специалистов. Квалификация, компетентность кадров во многом определяют масштабы и темпы научно-технического прогресса, интенсификации народного хозяйства. В полной мере это относится к разработке радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в том числе и ее элементной базы — устройств функциональной электроники (УФЭ) и электрорадиоэлементов (ЭРЭ). В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года предусмотрено значительно расширить в приборах и средствах автоматизации применение элементной базы повышенной надежности и быстродействия, сверхбольших интегральных схем.