Integrovaný obvod

Rozbalit box

Obsah boxu

Integrovaný obvod (zkratka IO, anglicky integrated circuit, IC), často označovaný také jako čip nebo mikročip, je miniaturizovaná elektronická součástka tvořená velkým množstvím tranzistorů, rezistorů, kondenzátorů a dalších prvků na jediném malém kusu polovodičového materiálu, nejčastěji křemíku. Tyto součástky jsou vzájemně propojeny a tvoří komplexní elektronický obvod, který vykonává specifickou funkci.

Vynález integrovaného obvodu na konci 50. let 20. století je považován za jeden z největších milníků v historii technologie, který odstartoval mikroelektronickou revoluci. Díky integraci se elektronická zařízení mohla stát výrazně menšími, levnějšími, rychlejšími a spolehlivějšími. Dnes jsou integrované obvody základním stavebním kamenem prakticky veškeré moderní elektroniky, od počítačů a chytrých telefonů přes automobily až po satelity. V českém prostředí se pro integrovaný obvod vžil hovorový termín „šváb“.

⏳ Historie a vynález

Před příchodem integrovaných obvodů se elektronické obvody sestavovaly z jednotlivých (diskrétních) součástek, jako byly elektronky a později tranzistory, které se ručně propojovaly dráty. S rostoucí složitostí obvodů se tento přístup stával nepraktickým kvůli velikosti, ceně, spotřebě energie a nespolehlivosti spojů. Problém byl označován jako „tyranie čísel“.

Zásadní průlom přišel v roce 1958. Jack Kilby, inženýr u společnosti Texas Instruments, představil 12. září 1958 první funkční integrovaný obvod. Jeho obvod byl vyroben z kousku germania a obsahoval několik tranzistorů, kondenzátor a rezistor propojených tenkými zlatými drátky. Ačkoliv byl tento hybridní obvod funkční, jeho výroba byla složitá.

Nezávisle na Kilbym, o několik měsíců později, na začátku roku 1959, vyvinul Robert Noyce ve společnosti Fairchild Semiconductor první monolitický integrovaný obvod. Noyceův návrh byl vytvořen na křemíkové destičce a využíval planární technologii, kde byly součástky propojeny napařenými hliníkovými spoji přímo na povrchu čipu. Tento přístup byl mnohem praktičtější pro masovou výrobu a stal se základem pro všechny budoucí integrované obvody.

Jack Kilby obdržel za svůj podíl na vynálezu v roce 2000 Nobelovu cenu za fyziku. Kilby i Noyce jsou všeobecně považováni za spoluvynálezce integrovaného obvodu.

🏭 Výroba

Výroba integrovaných obvodů je jedním z technologicky nejnáročnějších procesů na světě. Probíhá ve specializovaných továrnách zvaných foundries nebo "fabs" v extrémně čistém prostředí, aby se zabránilo kontaminaci mikroskopických struktur.

Základním materiálem je monokrystalický křemík ve formě tenkých kruhových desek zvaných wafery. Samotný proces tvorby obvodů na waferu se skládá z opakujících se cyklů, především fotolitografie, leptání, depozice tenkých vrstev a dopování.

Fotolitografie: Klíčový proces, při kterém se vzor obvodu přenáší z masky na povrch waferu pokrytý fotocitlivou vrstvou (fotorezistem). Wafer je osvícen ultrafialovým světlem (v nejmodernějších procesech extrémním ultrafialovým zářením, EUV) skrze masku. Osvícené části fotorezistu změní své chemické vlastnosti.
Leptání: Po vyvolání fotorezistu, kde je část vrstvy odstraněna, se odhalí podkladový materiál. Ten je následně chemicky nebo fyzikálně odleptán v místech, která nejsou chráněna fotorezistem.
Depozice: Na wafer se nanášejí tenké vrstvy různých materiálů (např. oxid křemičitý jako izolant nebo měď a hliník pro vodivé spoje).
Dopování: Do specifických oblastí křemíku jsou vpraveny příměsi (dopanty) pomocí iontové implantace, čímž se mění jeho elektrické vlastnosti a vytvářejí se oblasti typu N a P, které tvoří základ tranzistorů.

Tyto kroky se opakují mnohokrát, čímž vznikají desítky i stovky vrstev nad sebou, které tvoří komplexní trojrozměrnou strukturu obvodu. Po dokončení všech vrstev se wafer rozřeže na jednotlivé čipy. Každý čip je pak otestován a zapouzdřen do ochranného pouzdra s vývody pro připojení k desce plošných spojů.

🔬 Typy a klasifikace

Integrované obvody lze dělit podle několika kritérií:

Podle zpracovávaného signálu:

Analogové (lineární) IO: Zpracovávají spojité signály, jejichž hodnota se může plynule měnit v čase. Používají se například v zesilovačích, rádiových přijímačích, senzorech a napájecích zdrojích.
Číslicové (digitální) IO: Pracují s diskrétními signály, které nabývají pouze dvou logických stavů (typicky 0 a 1). Jsou základem počítačů, pamětí a mikroprocesorů.
Smíšené IO: Kombinují na jednom čipu analogové i digitální obvody. Příkladem jsou analogově-digitální a digitálně-analogové převodníky (ADC/DAC).

Podle stupně integrace: Stupeň integrace udává počet tranzistorů (nebo ekvivalentních součástek) na jednom čipu.

SSI (Small-Scale Integration): Desítky tranzistorů.
MSI (Medium-Scale Integration): Stovky tranzistorů.
LSI (Large-Scale Integration): Tisíce až desetitisíce tranzistorů.
VLSI (Very-Large-Scale Integration): Statisíce až desítky milionů tranzistorů.
ULSI (Ultra-Large-Scale Integration): Stovky milionů až miliardy tranzistorů.
GSI (Giga-Scale Integration): Více než miliarda tranzistorů.

Podle funkce:

Mikroprocesory (CPU): Centrální výpočetní jednotky, které řídí chod počítačů a jiných zařízení.
Paměťové obvody: Slouží k ukládání dat, např. DRAM, flash paměť.
Logické obvody: Realizují základní logické funkce (např. AND, OR, NOT).
ASIC (Application-Specific Integrated Circuit): Obvody navržené na míru pro jednu konkrétní aplikaci.
FPGA (Field-Programmable Gate Array): Programovatelná hradlová pole, jejichž funkci může uživatel nakonfigurovat po výrobě.

📈 Mooreův zákon a současné trendy

V roce 1965 formuloval Gordon Moore, spoluzakladatel společnosti Intel, pozorování známé jako Mooreův zákon. Původně konstatoval, že počet součástek v integrovaných obvodech se každý rok zdvojnásobí. Později revidoval tuto periodu na přibližně dva roky. Tento empirický zákon platil s pozoruhodnou přesností více než 50 let a stal se hnacím motorem celého polovodičového průmyslu.

Okolo roku 2025 se však platnost Mooreova zákona v jeho původní podobě dostává na své fyzikální a ekonomické limity. Miniaturizace tranzistorů se blíží velikosti atomů a náklady na vývoj a výstavbu továren pro nové výrobní procesy exponenciálně rostou.

Současné trendy se proto zaměřují na jiné cesty zvyšování výkonu:

Pokročilá pouzdra a 3D integrace: Spojování více čipů (tzv. chipletů) do jednoho pouzdra nebo jejich vrstvení na sebe.
Specializované architektury: Vývoj čipů optimalizovaných pro specifické úlohy, jako jsou GPU pro grafiku a paralelní výpočty nebo TPU pro umělou inteligenci (AI).
Nové materiály: Výzkum alternativ ke křemíku, např. grafen nebo uhlíkové nanotrubice.
Kvantové výpočty: Zcela nový paradigma výpočtů, které není založeno na klasických tranzistorech.

Největšími světovými výrobci polovodičů jsou v současnosti společnosti jako TSMC, Samsung a Intel.

💡 Pro laiky: Co je integrovaný obvod?

Představte si obrovské město. V tomto městě jsou miliony domů (to jsou tranzistory), které plní různé funkce – některé jsou obchody, jiné kanceláře, další obytné domy. Všechny tyto domy jsou propojeny hustou sítí silnic a dálnic (to jsou vodivé cesty), po kterých proudí doprava (elektrický proud). Celé toto obrovské, dokonale zorganizované město je postaveno na ploše menší než nehet vašeho malíčku. To je integrovaný obvod.

Před vynálezem čipu byste museli každý dům postavit zvlášť a pak ho pracně propojit s ostatními pomocí dlouhých kabelů. Celé "město" by tak zabíralo plochu několika fotbalových hřišť, bylo by neuvěřitelně drahé a neustále by se v něm něco kazilo. Integrovaný obvod dokázal celé toto město "vytisknout" najednou na jeden malý kousek křemíku. Díky tomu máme dnes malé, výkonné a levné telefony, počítače a všechnu ostatní elektroniku.

Zdroje