Mikropiiri

Wikipedia

Metallikoteloitu mikropiiri vuodelta 1984 (kotelo avattu)

Mikropiiri (engl. Integrated Circuit, IC) on pieni elektroniikan komponentti, johon on integroitu suuri määrä aktiivisia (transistori) ja passiivisia (diodi, vastus, kondensaattori, kela) elektronisia komponentteja.

Tyypillisiä mikropiirejä ovat vahvistimet, digitaalipiirit (mm. suorittimet ja mikroprosessorit), elektroniset muistit, ja asiakaskohtaiset mikropiirit, jotka on rakennettu erikoistarkoituksiin, esim. kännykän keskeiseksi osaksi.

[muokkaa] Mikropiirien rakenne

Nykyaikaisen mikropiirin aktiivisen osan koko on muutamasta neliömillimetristä neliösenttimetriin ja siinä on transistoreita kymmenistä aina noin 800 miljoonaan (2007).

Edellä mainitun aktiivisen elektronisen osan lisäksi mikropiiri sisältää koteloinnin ja liitosjohtimet eli pinnit, joilla se liitetään esim. piiri- tai emolevyyn. Mikropiirin ja piirilevyn väliin voidaan kytkeä mikropiirikanta, jolloin mikropiiri on helposti irrotettavissa. Useimpien yleisten kaksirivisten mikropiirien liitosjohtimien välinen etäisyys toisistaan on tuuman kymmenesosa eli 2,54 mm tai sen kerrannainen, rivien välinen etäisyys on 7,62 mm.

[muokkaa] Mikropiirien historia

Mikropiirit perustuvat puolijohdeilmiöön, transistoriin. Ensimmäiset mikropiirit valmistettiin 1960-luvun alussa. Ne sisälsivät vain muutaman transistorin.

[muokkaa] Mikropiirien valmistus

Mikropiirit valmistetaan lähes tasomaisina tuotteina alhaalta-ylös periaatteella ja kerros- ja monivaiheprosessina, massatuotantona ja hyvin valokuvausta muistuttavasti. Tuotanto on pitkälle automatisoitua. Valmistusprosessin tärkeimmät vaiheet ovat:

Ohutkalvon kasvatus (deposition)
Optinen litografia, jossa tehdään ei-syövytettävien kohtien suojaus (patterning of photoresist)
Etsaus (etching)

Näitä vaiheita toistetaan, kunnes haluttu rakenne on saavutettu.

Lopuksi valmis piikiekko muutetaan komponenteiksi:

testaus (viallisten mikropiirien merkintä)
kiekon paloittelu (dicing)
kotelointi (packaging)
lopputestaus tarvittaessa

Massatuotanto tarkoittaa, että yhdelle aiholle (15-30 cm:n halkaisijainen piikiekko) tehdään satoja mikropiirejä kerralla. Jokaisen mikropiirin jokaisen transistorin tietty kerros syntyy samalla prosessilla.

[muokkaa] Mikropiirien sukupolvet

Mikropiirien kehitystä kuvaa mm. yhteen mikropiiriin sisältyvien transistorien määrä. Nämä sukupolvet ovat:

SSI (Small Scale Integration); muutamia transistoreja per mikropiiri; 1960-luvun alku
MSI (Medium SI); satoja transistoreja; 1960-luvun loppupuoli
LSI (Large SI); kymmeniä tuhansia transistoreja; 1970-luku
VSLI (Very Large SI); satojatuhansia - miljoona transistoria; 1980-luku (ensimmäinen miljoonan bitin RAM- muisti julkaistiin 1986)
ULSI (Ultra-Large SI); yli miljoona transistoria
WSI (Wafer SI); koko mikropiirejä sisältävä kiekko on yksi mikropiiri
SIP (System in package) toimiva järjestelmä kotelossa (useita tavallisesti erillisiä mikropiirejä)
SOC (System-on-Chip); Kokonainen järjestelmä samalla mikropiirillä.

Muita merkittäviä vaiheita mikropiirien historiassa ovat olleet suurnopeuksiset mikropiirit (VHSIC; Very High Speed IC) 1980- luvulla ja galliumarsenidimikropiirit. Jälkimmäisillä mikropiirien nopeusalue on nostettu useisiin gigahertseihin.

[muokkaa] Mikropiirien merkityksestä

Mikropiirit ovat korvanneet niitä edeltäneet erilliset puolijohdetransistorit, jotka taas ovat korvanneet niitä edeltäneet elektroniputket. Jokainen em. vaihe on merkinnyt:

komponentin koon pienentymistä
tarvittavan jännitteen ja tehon pienentymistä
luotettavuuden parantumista
yksittäisen komponentin, transistorin hinnan radikaalia pienenemistä.

Nykyaikaisen mikropiirin ja maailman ensimmäinen yleistietokone, 1940- luvun ENIAC:n vertailu antaa kuvaa muutoksen suuruudesta:

ENIAC muodostui noin 17.500 elektroniputkesta, transistorin edeltäjästä. Nyt suurimmissa mikropiireissä on noin 40.000 kertaa enemmän transistoreja.
ENIAC oli huoneen kokoinen tilarakenne (167 neliömetriä, noin 500 kuutiometriä), mikropiiri on tulitikkuaskin kokoinen rakenne, noin 20 miljoonaa kertaa pienempi rakenne.
ENIAC toimi muutamia tunteja ilman vikaa, mikropiiri vuosikymmeniä, ainakin 100.000 kertaa luotettavammin.
ENIAC kulutti energiaa 160.000 wattia, mikropiiri muutaman watin.
ENIAC laski 385 kertolaskua sekunnissa, nykyaikainen mikropiiri muutaman miljardin, noin 10 miljoonaa kertaa enemmän.

Mikropiirit ovat mahdollistaneet yhä monimutkaisempien elektronisten laitteiden tekemisen. Mikropiirien kehitys on mm. tietokoneiden, PC:iden ja kännyköiden takana. Kehitys on merkinnyt myös teknisen älykkyyden radikaalia, vallankumouksellista kasvua. Tekninen älykkyys mitattuna tietokoneen teho kertaa tietokoneiden määrä on noin 800 miljoonakertaistunut maailmassa vuodesta 1960 vuoteen 2000. Taustalla on siis:

1960: 5000 tietokonetta maailmassa, 1999 noin 420 miljoonaa
1960: yksi tietokone (PDP-1) 0,1 miljoonaa käskyä sekunnissa, 1999 noin miljardi