МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

— система предназначенных для синтеза ЭВМ элементов и конструктивно-технологических методов их монтажа, в основу технической реализации которой положены принципы микроэлектроники.

Микроэлектроника — раздел электроники, разрабатывающий проблемы микроминиатюризации электронных схем и устройств с одновременным повышением их надежности.

М. э. б. в. т. закономерный этап развития элементной базы электронных вычислительных машин. Цифровая вычисл. техника, для которой характерно использование большого количества однотипных элементов, явилась первой й наиболее эффективной областью приложения микроэлектроники.

На первом этапе становления М. э. б. в. т. обн. элементами ЦВМ стали интегральные схемы (ИС) с малой степенью интеграции, включающие в себя по несколько десятков компонентов и предназначенные для выполнения функций таких простейших электронных узлов, как инвертор, триггер, логические схемы «НЕ И», «НЕ ИЛИ» и т. п. На этом этапе разработано большое количество различных функционально полных систем интегральных логических элементов в основном на обычных (биполярных) транзисторах и транзисторах со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП-транзисторах).

1. Типовые электрические схемы интегральных логических элементов на биполярных транзисторах.

Системы логических ИС на биполярных транзисторах можно разделить на следующие основные типы (рис. 1): а — схемы с непосредственной связью, б — резистивно-транзисторные схемы, в — схемы с RC-связями, г — диодно-транзисторные схемы, д — транзистор-транзисторные логические схемы с одно- и мно-гоэмиттерными транзисторами; е — транзисторные схемы с эмиттерной связью (токовые ключи). В каждом из этих основных типов можно выделить несколько подтипов, причем даже схемы одного подтипа могут отличаться по конструкции, технологии и параметрам. В самых быстродействующих из выпускаемых интегральных логических схем среднее время, задержки сигнала составляет от 2 до 5 нсек при рассеиваемой мощности 50 - 100 мет, а самые маломощные рассеивают не более 1 мквт при средней Задержке 5 — 10 мксек; допустимый уровень помех . Функционально полная система Логических

ИС содержит обычно универсальный логический элемент типа «НЕ И», «НЕ ИЛИ», который для обеспечения большей гибкости проектирования дополняется другими схемами, напр., «мощной» схемой с коэффициентом разветвления свыше и большой допустимой емкостью нагрузки, схемами, позволяющими увеличивать коэффициент объединения на входе, триггерными схемами и т. д. Всего в функционально полную систему входит, как правило, от 5 до 8 различных ИС, но иногда и свыше 20. Все системы интегральных логических элементов, как правило, являются потенциальными.

2. Структура многослойной печатной платы для монтажа интегральных схем: 1 — слои из эпоксидного стеклопластика; 2 — активный элемент; 3 — интегральная схема; 4 — теплоотводящие полоски; 5 — контактные лепестки; 6 — межслойные соединения; 7 — ввод; 8 — слои печатного монтажа; 9 — шины питания; 10 — заземление.

Для монтажа ИС при компоновке их в узлы и блоки широко используют печатные схемы. Соединение ИС в узлы без пересечений проводников вообще можно обеспечить с помощью двухсторонних печатных плат. Стремление к повышению плотности монтажа привело к созданию более сложных многослойных печатных плат, состоящих из ряда чередующихся слоев изолирующего материала и плоских схемных проводников. Различия между многими видами многослойного монтажа заключаются гл. обр. в методах выполнения мёжслойных соединений. ИС размещают обычно на внешней стороне платы (рис. 2) и соединяют их с печатными проводниками, применяя электроннолучевую и лазерную сварку, пайку и сварку сопротивлением, программированную электросварку, групповые методы пайки (волной, погружением и т- п.), ультразвуковую и диффузионную связь и др. Паяные и сварные соединения остаются пока наиболее ненадежным звеном сложных микроэлектронных систем. На одной печатной плате располагают обычно по несколько десятков, а иногда и сотен ИС. Платы 1-го уровня (т. н. ТЭЗы — типовые элементы замены) в свою очередь монтируют на крупных печатных панелях.

При переходе на М. э. б. в. т. изменились не только физическая реализация и технология изготовления логических элементов, но и подход к проектированию узлов и блоков электронной вычислительной машины (ЭВМ). При разработке машин 1-го и 2-го поколений, напр., традиционной была задача минимизации числа активных элементов (ламп, транзисторов и диодов). Развитие новой технологии привело к тому, что сложность и стоимость изготовления активных и пассивных компонентов почти сравнялись, а в ряде схем замена пассивных компонентов активными оказалась даже выгодной. В результате на первый план выдвинулись задачи разработки таких методов синтеза логических и монтажных схем, которые бы приводили к уменьшению количества используемых ИС, к минимизации числа соединений и длины связей между ними, к сокращению количества пересечений соединительных проводников и т. д. Применение даже простейших ИС позволило заметно уменьшить габариты ЭВМ, снизить потребляемую ими мощность и стоимость, резко сократить количество паяных или сварных соединений и в результате — значительно повысить надежность. Благодаря этому появилась возможность ввести в ЭВМ дальнейшие логические усложнения и строить системы, ко сложности и информационной производительности намного превосходящие ЭВМ 1-го и 2-го поколений.

На 1-м этапе становления М. э. б. в. т. средняя плотность размещения компонентов в устройствах и системах в целом, будучи намного выше, чем в транзисторных ЭВМ, оказывалась все же в 104 -н 106 раз меньше достигнутой в микросхемах. Излишне большое количество корпусов и паяных (сварных) соединений, связанное с применением ИС с малой степенью интеграции, приводило также к значительному снижению надежности, в силу чего надежность аппаратуры в целом оказывалась намного ниже надежности ИС. Отсюда вытекало характерное для микроэлектроники в целом стремление к повышению степени интеграции схем, к размещению и герметизации в едином корпусе целых функциональных блоков, содержащих все большее число компонентов и простейших схем.

Совершенствование технологии изготовления ИС, непрерывное уменьшение размеров компонентов и увеличение процента выхода годных схем позволили во 2-й половине 60-х годов создать ИС с повышенной степенью интеграции, а затем и т. н. большие интегральные схемы (БИС), содержащие уже не десятки, а сотни — тысячи микрокомпонентов, и способные выполнять более сложные функции, чем простейшие логические операции типа «НЕ И», «НЕ ИЛИ». Значительных уровней интеграции удалось достичь в гибридно-пленочных и полупроводниковых (твердых) схемах (см. Интегральная схема), особенно в микросхемах на МДП-транзисторах. Создание и применение БИС положило начало 2-му этапу в развитии М. э. б. в. т., очередному скачку в увеличении надежности и плотности компоновки и в снижении стоимости, объема и веса кибернетических устройств.

Переход к БИС выдвинул ряд ноных проблем. Одна из них (технологическая) связана с тем, что с увеличением числа компонентов в схеме быстро возрастает и вероятность порчи некоторых из них при изготовлении, в результате чего становится непригодной вся БИС. Поэтому для каждого уровня развития технологии существует оптимальная степень сложности, при которой процент выхода годных схем еще оправдан экономически. Для полупроводниковых схем на биполярных транзисторах, напр., эта степень сложности составляла к концу 60-х годов 20 ст. порядка 100 компонентов на схему, а для схем на МДП-транзисторахигибриднопленочных была несколько выше. Производство БИС более высокой сложности требует наличия избыточных компонентов. В этом случае для создания БИС применяют метод избирательных соединений: с помощью микрозондов определяют расположение годных компонентов, ориентируясь только на них, проектируют требуемую БИС и соответствующий ей рисунок межсоединений, который выполняют с помощью программно управляемого электронного или светового луча. Другой метод — создание универсальных БИС с большой избыточностью компонентов, которые уже после изготовления и испытаний можно настраивать на выполнение требуемой функции с учетом неработоспособных элементов (напр., диодные и транзисторные матрицы, в которых любой элемент может быть отключен от соответствующего узла схемы пропусканием импульса тока, достаточного для разрушения легкоплавкой соединительной перемычки). БИС высокого уровня сложности изготовляют также посредством монтажа на единой многослойной плате с заранее подготовленными межсоединениями малых ИС, выполненных в виде отдельных кристалликов с балочными или шариковыми выводами (многокристальные БИС).

Вторая проблема, связанная с применением БИС, — стандартизация. Чем выше уровень интеграции схем, чем больше компонентов размещено в одном корпусе, тем огромнее разнообразие возможных типов БИС и труднее выбрать ограниченную номенклатуру стандартных схем. Частичным решением этой проблемы является создание и использование в первую очередь БИС широкого применения, таких как статические и сдвиговые регистры, сумматоры, счетчики и т. д. Второе возможное решение — построение формируемых БИС, содержащих избыточные элементы и настраиваемых на выполнение той или иной заданной функции после изготовления, о которых уже шла речь выше. Наиболее перспективным решением проблемы является разработка и освоение таких методов производства БИС, которые позволяли бы легко перестраиваться на выпуск функциональных схем различных типов, специально разработанных для конкретного кибернетического устройства или системы. Этот путь позволяет получить наибольший выигрыш от применения БИС, сохраняя в то же время необходимую гибкость проектирования устройств и систем. При этом проектирование и производство вычислительных машин все более тесно переплетаются с проектированием и производством функциональных схем и узлов.

Раньше проектирование функциональных узлов ЭВМ могло быть оторвано от изготовления элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и простых ИС) и отправлялось от них, как от готовых деталей. При проектировании же функциональных узлов, изготавливаемых в виде БИС, нужно отправляться уже непосредственно от свойств полупроводников и тонких пленок, разрабатывая и рассчитывая не просто схему соединения готовых элементов, а всю топологическую и физическую структуру БИС и технологический процесс ее изготовления с учетом сложных электромагнитных, тепловых и других взаимодействий всех ее компонентов. Такие усложнения задач проектирования и производства при переходе к БИС, необходимость оперативного решения многих из них (папр., проектирование рисунка межсоединений в БИС с учетом «расположения» годных компонентов в ходе изготовления; перестройка технологической линии на выполнение нового рисунка или на выпуск БИС другого типа и т. д.) требуют автоматизации этих работ с применением ЭВМ. Ввиду этого развитие микроэлектроники и вычислительной техники становятся взаимно обусловленными процессами (см. Автоматизация проектирования ЦВМ). На 1-м этапе развития М. э. б. в. т. стало ясно также, что низкая плотность компоновки и низкая надежность кибернетических систем по сравнению с достигнутыми в микросхемах являются следствием не только применения ИС с малой степенью интеграции, но и того, что значительная часть оборудования ЭВМ, в частности внешнее оборудование и запоминающие устройства, (ЗУ), не были переведены на микроэлектронное исполнение. Необходимость комплексной микроминиатюризации вычислительной техники привела к созданию наряду с цифровыми и различных типов линейных ИС для ЭВМ. Такими ИС являются, напр., операционные дифференциальные усилители постоянного тока с большим коэфф. усиления напряжения, усилители считывания, формирователи токов записи и считывания, усилители-формирователи выходных импульсов. Значительные усилия были направлены на микроминиатюризацию, повышение надежности, быстродействия и информационной емкости, снижение потребляемой мощности и стоимости ЗУ. На первом этапе развития М. э. б. в. т. наилучшие результаты дало совершенствование ферритовых ЗУ. Созданы и стали широко использоваться миниатюрные тороидальные ферритовые сердечники с внутренним диаметром 0,2-0,3 мм. и микроферриты с несколькими отверстиями. Стоимость оперативных ЗУ (ОЗУ) на ферритовых сердечниках остается пока ниже стоимости ОЗУ других типов. Поиски групповых методов изготовления привели к созданию ЗУ на ферритовых

пластинах с микроотверстиями и на т. н. «слоистых» ферритах.

Другое направление — это разработка ЗУ на тонких магнитных пленках (плоских и цилиндрических). Во 2-й половине 60-х годов были созданы и начали применяться магнитопленочные ОЗУ средней информационной емкости с периодом обращения порядка сек, совместимые с устройствами управления на ИС. В ЗУ этого типа массивы магнитных запоминающих элементов со всеми необходимыми селектирующими проводниками формируются в ходе единого технологического процесса и по существу представляют собой БИСы, функция которых — запоминание, хранение и выдача информации.

Многообещающим направлением в микроминиатюризации ЗУ является создание монолитных блоков памяти на основе полупроводниковых БИС. С развитием микроэлектронной технологии стало вполне реальным построение быстродействующих, надежных и в то же время сравнительно дешевых устройств хранения фиксированной информации на основе интегральных диодных и транзисторных матриц, а также оперативных ЗУ на основе транзисторных (биполярных и МДП) триггеров и полупроводниковых приборов с отрицательным дифф. сопротивлением. Основными достоинствами интегральных полупроводниковых ЗУ являются высокое быстродействие считываний в 1 сек) при емкости бит, а также хорошая схемная и технологическая совместимость с логическими ИС, что позволяет создавать ЦВМ по единой технологии. ЗУ на полупроводниковых БИС широко используют для создания т. н. сверхоперативной памяти, а также буферных и других промежуточных ЗУ. Определенные успехи достигнуты и в микроминиатюризации устройств отображения информации. Появились компактные плоские электролюминесцентные индикаторные экраны, а также полупроводниковые цифровые индикаторы на основе светодиодов из карбида кремния и фосфида галлия, которые по своим электрическим характеристикам хорошо согласуются с ИС.

Достижения в области М. э. б. в. т. могут быть проиллюстрированы на нескольких типичных примерах ЦВМ 3-го поколения. Одним из первых описанных в литературе образцов микроэлектронных вычисл. устройств была разработанная в США бортовая ЦВМ весом 285 г, выполненная на монолитных кремниевых ИС. Это синхронная ЦВМ общего назначения, последовательного типа, работающая в двоичном коде с фиксированной запятой с частотой синхронизации 100 кгц. Длина машинного слова — 11 разрядов, один из них знаковый. Машина состояла из 587 ИС трех типов, которые размещались на 47 модулях, соединяемых с основной панелью при помощи разъемов. Каждый модуль эквивалентен блоку, содержащему в среднем 150 обычных дискретных элементов, а вся машина в целом — примерно 8500 элементам. Потребляемая ею мощность не превышала Выполняя все функции использовавшейся ранее транзисторной ЦВМ на дискретных элементах, микроэлектронная машина оказалась в 150 раз меньше по объему, в 48 раз легче и имела значительно более высокую надежность.

ЦВМ «IBM 360—92» при почти одинаковых габаритах оказывается надежнее, примерно в 100 раз производительнее и может решать значительно более сложные задачи, чем известная ЦВМ той же фирмы «IBM 7090», относящаяся ко 2-му поколению.

Ближайшие перспективы развития М. э. б. в. т. связаны с продолжающейся тенденцией ко все большей интегрализации», т. е. к одновременному изготовлению и герметизации в едином корпусе все большего количества элементов и узлов ЭВМ. В недалеком будущем в виде единой БИС или ГИС («гигантской» интегральной схемы) будут изготовляться целые узлы или даже устройства вычислительных машин. Совершенствование технологии и автоматизация изготовления сделают возможным проектирование и производство ЭВМ почти целиком из БИС., что приведет к дальнейшему повышению надежности и удельной информационной мощности машин. Немаловажную роль должно сыграть и то, что М. э. б. в. т., благодаря повышению надежности, уменьшению размеров и стоимости узлов и устройств позволяет строить весьма разветвленные информационные системы, открывает новые пути для совершенствования их логической структуры.

Более далекие перспективы М. э. б. в. т. связаны с характерным для микроэлектроники выдвижением и развитием новых принципов и направлений, в которых делаются попытки выйти за рамки понятий классической теории электрических цепей и реализовать требуемые схемные функции проще, основываясь на использовании и других физических свойств материалов. В оптоэлектронике, напр., для улучшения характеристик и расширения функциональных возможностей схем, наряду с электрическими и магнитными, используются также оптические явления и свойства материалов. В криогенной электронике для создания малогабаритных, экономичных и быстродействующих логических схем и ЗУ используют физические явления в твердых телах при низких температурах. Новые перспективные направления могут быть связаны и с устройствами переработки информации на нейристорах — активных передающих линиях. Всем новым направлениям в микроэлектронике присуще стремление к микроисполнению соответствующих устройств, что является залогом непрерывного уменьшения габаритов и стоимости, повышения надежности и расширения функциональных возможностей вычислительных машин и систем.

Лит.: Долкарт В. М., Новик Г. X., Колтыпин И. С. Микроминиатюрные аэрокосмические цифровые вычислительные машины. М., 1967 [библиогр. с. 345—346]; Микроэлектроника, в. 1. М., 1967; Микроэлектроника. Пер. с англ. М., 1966; Микроэлектроника и большие системы. Пер. с англ. М., 1967; Введение в микроэлектронику. Пер. с англ. М., 1968. В. М. Корсунский.