Mikropiiri

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Metallikoteloitu mikropiiri vuodelta 1984 (kotelo avattu)
Three IC circuit chips.JPG

Mikropiiri eli integroitu piiri (engl. Integrated Circuit, IC) on elektroniikan puolijohdekomponentti, johon on integroitu suuri määrä aktiivisia (transistorit, diodit) ja usein myös passiivisia (vastus, kondensaattori) elektronisia komponentteja.

Tyypillisiä mikropiirejä ovat erilaiset vahvistimet, digitaalipiirit (mm. suorittimet ja mikroprosessorit), elektroniset muistit, ja sovelluskohtaiset mikropiirit, jotka on suunniteltu tiettyyn tarkoitukseen yhden laitevalmistajan tarpeisiin, esimerkiksi kännykän keskeiseksi osaksi.

Mikropiirien rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mikropiirit perustuvat puolijohdeilmiöön, transistoriin.

Nykyaikaisen mikropiirin aktiivisen osan koko on muutamasta neliömillimetristä muutamiin neliösenttimetreihin. Transistorien määrä niissä vaihtelee pienten mikrokontrollerien muutamista tuhansista aina modernien prosessoreiden useampaan miljardiin kappaleeseen.

Edellä mainitun aktiivisen elektronisen osan lisäksi mikropiiri sisältää koteloinnin ja liitosjohtimet eli pinnit, joilla se liitetään esimerkiksi piiri- tai emolevyyn. Mikropiirin ja piirilevyn väliin voidaan kytkeä mikropiirikanta, jolloin mikropiiri on helposti irrotettavissa. Useimpien yleisten pienten kaksirivisten (DIL) mikropiirien liitosjohtimien välinen etäisyys toisistaan on tuuman kymmenesosa eli 2,54 mm tai sen kerrannainen, rivien välinen etäisyys on 7,62 mm. Nykyisin piirit kiinnitetään piirilevyyn usein pintaliitostekniikalla juotosnystyjen avulla.

Mikropiirien historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 1959, Texas Instruments integroi samalle sirulle vastuksen ja transistorin. Ensimmäiset mikropiirit valmistettiin 1960-luvun alussa. Ne sisälsivät vain muutaman transistorin.

Mikropiirien valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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:

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.

Mikropiirien sukupolvet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähikuva EPROM:n ikkunasta(elektronisesti ohjelmoitava ja UV-valolla tyhjennettävä muistipiiri)

Mikropiirien kehitystä kuvaa muun muassa 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.

1980-luvulta lähtien yksi kehityssuunta on ollut myös ohjelmoitavat logiikkapiirit kuten FPGA-piirit, joiden sisältämien yleiskäyttöisten logiikkaelementtien toiminnallisuus ja niiden väliset kytkennät voidaan ohjelmoida uudelleen. Tämän ansiosta ohjelmoitavalla logiikkapiirillä voi toteuttaa teoriassa minkä tahansa toiminnon siinä missä normaalin mikropiirin toiminnallisuutta ei voi muuttaa valmistuksen jälkeen.

Mikropiirien merkityksestä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. Nykyisin suurimmissa mikropiireissä on yli 250 000 kertaa enemmän transistoreja.
  • ENIAC oli huoneen kokoinen tilarakenne (167 neliömetriä, noin 500 kuutiometriä), modernin mikropiirin aktiivinen pinta-ala on noin tulitikkuaskin kokoinen ja alle millimetrin korkuinen, eli noin 2 miljardia kertaa pienempi.
  • ENIAC toimi muutamia tunteja ilman vikaa, mikropiiri vuosikymmeniä, ainakin 100 000 kertaa luotettavammin.
  • ENIAC kulutti energiaa 160 000 wattia, nykyisin saman suorituskyvyn mikropiiri tarvitsee energiaa joitain kymmeniä nanowatteja, eli ainakin biljoona kertaa vähemmän.
  • ENIAC laski 385 kertolaskua sekunnissa, nykyaikainen mikropiiri useita miljardeja, yli 10 miljoonaa kertaa enemmän.

Mikropiirit ovat mahdollistaneet yhä monimutkaisempien elektronisten laitteiden tekemisen. Mikropiirien kehitys on muun muassa 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

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Voutilainen, Vesa; Lesch, Kaj-Birger; Haaksikari, Jorma: Elektroniikka 1 - Analoginen elektroniikka. WSOY, 1989. ISBN 951-0-15259-5.
  • Elektroniikka 2 : Digitaalitekniikka

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Mikropiiri.