IC و مدار مجتمع چیست؟ (پر استفاده و مهمترین قطعه در مدار سخت افزار)

دوستان و سروران عزیزم،در این مطلب قصد داریم تا شما را با IC،مدار مجتمع،سیلیکون و به طور کلی پردازنده های IC آشنا سازیم.با ما همراه باشید.

تراشه، مدار یکپارچه، مدار مجتمع یا آی‌سی (Integrated circuit یا Chip) به مجموعه‌ای از مدارات الکترونیکی اطلاق می‌گردد که با استفاده از مواد نیمه‌رسانا (عموما سیلیسیم همراه با میزان کنترل شده‌ای ناخالصی) در ابعادی کوچک (معمولا کمتر از یک سانتی متر مربع) ساخته می‌شود. اگر هزاران ترانزیستور در یک ریز تراشه ساخته شود؛ به آن مدارات مجتمع خیلی فشرده (Very-large-scale integration ) می گویند. مدارات الکتریکی عموما شامل المان مداری: مقاومت، خازن، سلف و ترانزیستور می باشد. با توجه به اینکه فرآیند ساخت ترانزیستور در تکنولوژی های مدارات مجتمع راحت تر از المان های پسیو دیگر است، طراحان ترجیح می دهند این المان های پسیو را توسط ترانزیستورها پیاده سازی کنند و تا حد ممکن تمامی المان های مدارات الکترونیکی را به ترانزیستور تبدیل نمایند، سپس با تکنولوژی های ساخت مدارات مجتمع آن ها را پیاده سازی کنند. هر تراشه معمولاً حاوی تعداد بسیار زیادی ترانزیستور است که با استفاده از فناوری پیچیده‌ای در داخل لایه ای از ماده نیمه هادی؛ مانند سیلیکن همگون با پروسه های ساخت مدارات مجتمع ساخته می شوند. امروزه تراشه‌ها در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی و به ویژه کامپیوترها در ابعادی گسترده بکار می‌روند. وجود تراشه‌ها مرهون کشفیات بشر درباره نیمه رساناها و پیشرفتهای سریع پیرامون آنها در میانه‌های سده بیستم می‌باشد. مهم ترین المان مداری که در تکنولوژی های مدار مجتمع ساخته می شود، ماسفت ( (MOSFET)Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) است. شرکت های اینتل،سامسونگ،توشیبا،فیلیپس و سونی از جمله بزرگترین تولید کنندگان IC در جهان هستند.

مدارات مجتمع امروزه به دنیای جدیدی پا گذارده اند.این مجموعه ها امروزه از طریق سیلیکون تعریف می شوند.علاوه بر آن،بالا رفتن تعداد ترانزسیتو به لطف فناوری سیلیکون،توانایی های IC را افزایش داده است.

مسر اصلی ریز تراشه ها

هر ریز تراشه، وظیفه و یا وظایف خاصی را در مدار انجام می‌دهد. عموما هر ریز تراشه چندین ورودی دارد که با پردازش این ورودی ها، مقادیر خروجی را تولید و در بخش خروجی خود قرار می دهند. بعضی از ریز تراشه‌ها با سیگنالهای آنالوگ کار می‌کنند ( مانند ریز تراشه‌ای باکد ۷۴۱، یک آمپلی فایر آنالوگ است). بعضی‌های دیگر با سیگنال‌های دیجیتال کار می‌کنند – به عنوان ورودی‌های منطقی یا برای دریافت داده دیجیتالی، مانند ریز تراشه ای که برای خواندن اطلاعات موجود در یک CD استفاده می شود. واحد پردازنده مرکزی کامپیوترها (Central Processing Unit (CPU) ) یکی از مهم ترین مدارات ساخته شده به صورت مجتمع است که میلیاردها ترانزیستور را در سطح کوچکی از نیمه هادی جای داده است. مثلا پروسسور IBM z13 Storage Controller که در سال 2015 ساخته شده است، حدود 7,100,000,000 ترانزیستور را در 678mm² سطح نیمه هادی از ویفر جای داده است.این تعداد ترانزیستور در GPU ها نیز مشاهده می گردد.به عنوان مثال تراشه GP104 دارای بیش از 7 میلیارد ترانزیستور است.

سامانه تولید

ریز تراشه‌ها را با تعبیه مدارهای الکترونیکی در لایه‌ای نازک از سیلیسیم خالص به اسم ویفر سیلیکون (Silicon Wafer)، به صورت یک فرایند پیچیده و به صورت لایه لایه می‌سازند. به فرایند ساخت ریز تراشه: تکنولوژی ساخت مدارات نیمه هادی می گویند. تمامی مراحل ساخت ریز تراشه در اتاق هایی موسوم به اتاق تمیز (Cleanroom) انجام می شود که از نظر سطح ناخالصی و طیف های نوری موجود در اتاق کاملا تحت کنترل است.

متریال های مورد استفاد در IC ها بسیار پیچیده هستند و حتی از ترکیب ماسه نیز درون آنها استفاده می شود.اگر طراحی یک پردازنده را کنار بگذاریم،بد نیست بدانید که تولید این مواد اولیه و به طور کلی تولید آنها،تنها در دست چند کشور محدود مانند آمریکا است.

تکنولوژی

مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای دوقطبی (BJT: Bi Junction Transistor) باشند را با نام Transistor Transistor Logic) TTL) و مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای NMOS و PMOS هستند را(Cmos(Complementry Metal Oxide Semiconductor می‌نامند. ترکیب این دو تکنولوژی را با نام BiCmos می‌شناسند. در مقابل مدارهای مجتمع، مدارهای گسسته (Discrete Circuits) وجود دارند که شامل قطعاتی مجزا هستند که به هم روی یک برد متصل شده‌اند. البته تمامی المان های پسیو نظیر مقاوت، سلف و خازن هم در تکنولوژی های مدارات مجتمع قابل ساخت هستند. در ساخت ریز تراشه ها، طراحان سعی می‌کنند تا حد امکان از ترانزیستوربه جای المان های پسیو استفاده کنند. مثلا بجای خازن از ترانزیستور در بایاس معکوس استفاده می کنند، و یا در جایی دیگر که مقاومت بزرگی نیاز دارند مثلاً در حد مگا اهم باز از ترانزیستور استفاده می‌کنند. چون در حجمی که مقاومت می‌گیرد می‌توان چند ترانزیستور کوچک جای داد و حجم نهایی مدار را کاهش داد. از طرفی برای ساخت سلف هم از مدارات ماسفت استفاده می شود که دقت قابل قبول و ضریب کیفیت (به انگلیسی: Self Quality Factor ) بهتری خواهد داشت.

بعضی از ریز تراشه ها به گونه‌ای از لایه‌های سیلیکون بهره می‌برند که می‌توانند حتی به عنوان حافظه مورد استفاده قرار گیرند نمونه‌ای از این ریز تراشه ها PROM نام دارد (حافظه قابل برنامه‌ریزی فقط‌خواندنی: Programmable Read Only Memory) همانگونه که از اسم این نوع تراشه معلوم است فقط اطلاعات آن قابل خواندن است و امکان تغییرات در آن وجود ندارد از این نوع ای سی برای مدارات اصلی کامپیوتر نیز استفاده می‌شود همان قسمت از حافظه که به آن ROM نیز می‌گویند.

به مدارهای AND,OR,NOT؛ گیتهای منطقی (Logical Gate) می‌گویند. اگر این گیت ها توسط تکنولوژی های مدار مجتمع در حجم وسیعی بر روی یک تراشه ساخته شوند، به آن ریز تراشه ها؛ مدارات مجتمع دیجیتال می گویند.

نکته:در مادربردهای جدید،مدار تغذیه در حال جایگزینی با مدار دیجیتال است.این اقدام در پاور (PSU) نیز در حال اجرا است.مدارات دیجیتال دارای دقت بسیار زیادی است که مدارت آنالوگ فاقد آن هستند.