Elhuyar zientziaren komunikazioa

Zirkuitu integratuak: ordenadoreen miniaturizazioaren bultzatzaile

1991/06/01 Ibarra, Amaia | Ruiz, Txelo Iturria: Elhuyar aldizkaria

aur egun zaila da ordenadoreak edo eta audio eta bideo komunikazio-sistemak bezalako mirari modernorik gabeko bizitza imajinatzea. Oro har, gailu automatikoek lana kendu egiten digute. Gailu guzti hauek elektronikan gertatutako aurrerakuntza itzelei esker izan dira posible.
1. irudia. Bereiztutako osagaien bidez lortutako zirkuitu sinplea.

Gaur egun zaila da ordenadoreak edo eta audio eta bideo komunikazio-sistemak bezalako mirari modernorik gabeko bizitza imajinatzea. Baina mirari hauek edozein arlotan topatzen ditugu. Hain daude sartuta gure bizimoduan, ezen ez bait gara beraien garrantziaz jabetzen. Nork pentsatzen du ikuztailu automatikoak funtzionatzeko barruan gure lana errazteko oso kontrol-sistema konplexuak dituela?. Oro har, gailu automatikoek lana kendu egiten digute. Gailu guzti hauek elektronikan gertatutako aurrerakuntza itzelei esker izan dira posible.

Bestalde, guztiok dakigu ordenadoreak gero eta txikiagoak direla. Baina miniaturizazio horren zergatia zirkuitu integratuen garapenean datzala inor gutxik daki. Konplexutasunmaila bera mantendu edo handiagotu arren osagai edo zirkuitu elektronikoak gero eta txikiagoak direlako, mikroelektronikaz mintzatzen da. Hemen, zirkuitu integratuen funtsa azaltzen saiatuko gara.

Histori pixka bat

Erdieroaleak baino lehenagoko elektronika

2. irudia. 1. irudiko zirkuituaren funtzio bera betetzen duen zirkuitu integratua eta bien tamainaren konparazioa.

Duela gutxi, teknologia elektronikoa huts-balbuletan oinarritzen zen, hauek seinale elektrikoak anplifikatzen zituztelako. Erabilpen nagusia irratia zen. Baina lehenengo irratigailu haiek gaur egungoekin konparatuta nahikoa kaxkarrak ziren balbulen ezaugarriak zirela eta. Lehenik eta behin, potentzia elektriko handia behar zuten funtzionatzeko. Baina beste ezaugarri batzuk ere garrantzitsuak ziren: tamaina handiegia zen; funtzionatzen hasteko berotu egin behar ziren denbora batez; balbula bakoitzaren batezbesteko iraupena (bizia) nahikoa motza zen (ordu batzuetakoa hain zuzen, hau da, irratia ordu batzuetan funtzionatzen aritu ondoren balbularen bat edo beste hondatu egiten zen, irratia konpontzeko horiek aldatzea beharrezkoa izanik). Ezaugarri guzti hauek, miniaturizazio, kontsumo eta fidagarritasuna bezalako ezaugarrientzat oztopoa baino ez ziren.

Erdieroaleen aroa

Balbulen mugak gainditu asmoz, hainbat ikerlari-taldek ikerketari ekin zion alternatiba hobeak lortzearren.

Erdieroaleen aroa 1950. urte inguruan hasi zen, 1947.ean EEBBko Bell laborategietan egoera solidozko fisikan oinarritutako transistorea aurkitu ondoren.

3. irudia. Diseinuan ematen diren urratsak.

Transistorearen asmatzaileek, Brattain eta Bardeen ikerlariek, urrezko bi kabletxo mehe germaniozko kristal baten gainazala ukituz jarri zituzten. Kabletxoak kontu handiz eta elkarrengandik oso hurbil kokatu behar ziren. Horregatik gailua ez zen oso fidagarria; ezta oso erabilgarria ere. Baina horren bitartez gailu erdieroaleek seinale elektrikoak anplifika zitzaketela frogatu zuten. Beraz, huts-balbulak ez ziren jadanik anplifikagailu bakarrak. Pixka bat geroago, Schokley ikerlariak juntura-transistorea proposatu zuen. Honek ez zuen kableen beharrik eta bere funtzionamendua askoz ere fidagarriagoa zen.

Normalean, egoera solidozko gailuek karga baten zeharreko korrontea edo tentsioa kontrolatzen dute beste aldagai baten bidez, aldagai hau, bere aldetik, korrontea edo tentsioa izan daitekeelarik. Bi eratan erabil daitezke:

  • Korrontea edo tentsioa anplifikatzeko, zirkuitu analogikoak sortuz.
  • Etengailu edo konmutadore bezala, zirkuitu digitaletan.
4. irudia. Silizio monokristalinoa hainbat piezatan banatzen da.

Elektronika digitala da batez ere azken hamarkadetan izugarrizko garapena izan duena. Hori, erdiero ale-zati txiki batean zirkuitu oso bat sartzearen —integratzearen— aukerari esker gertatu da. Teknologia honen hasiera 1960an gertatu zen.

Hasieran, sistema elektronikoek transistore, erresistentzia eta kondentsadorea bezalako bereiztutako osagaiak erabiltzen zituzten. Adibidez, 1. irudiko zirkuitu sinplea lortzeko, osagai hauek beharko lirateke: T transistore bat, R erresistentzia bat eta plaka inprimatu bat horien arteko konexioak egiteko.

Zirkuitu integratuak

Baina irudikoa bezalako transistore bipolar bat material erdieroalezko hainbat geruzak osatzen dute, erdieroalea silizioa izan ohi delarik. Bestalde, erresistentzia silizioa erabiliz ere lor daiteke, zeren azken finean silizioak, erdieroalea delako, korronte elektrikoa eroaten bait du.

Zirkuitu elektroniko bateko osagairik arruntenak (transistoreak, diodoak, erresistentziak, kondentsadoreak) siliziozkoak izan daitezkeenez, guztiak siliziozko zati berean sar daitezke edo (gauza bera dena) integra daitezke. Horrela zirkuitu integratuak edo txipak lortzen dira. Berauetan osagai-kopurua teorian edozein izan daiteke. Osagaiak integratuta, beraien arteko konexioak metal batez lor daitezke. Metalak zirkuitu integratuaren azkeneko geruza osatzen du. 1. irudiko zirkuitua 2. irudian ikus daiteke.

5. irudia. Prozesatutako fitxan txip asko sartzen da, hala nola hainbat test-egitura, zirkuituak balio duela egiaztatzeko.

Zirkuitu integratuen ideia hau Kirby ikerlariak proposatu zuen 1959an, IRE (Institution of Radio Engineers) Irrati-Injineruen Batzarreko bilera batean.

Teknologia honek muga batzuk ezartzen dizkie zirkuituei: kapazitate txikiak erabili behar dira; ezin da induktantziarik erabili; zirkuituek ez dituzte potentzia handiak kontsumitu behar, eta abar. Dena den, sistema digitalek baldintza hauek betetzen dituzte eta arrazoi horregatik zirkuitu integratu digitalak dira azkarren garatu direnak.

Zirkuitu integratuen fabrikazioa posible izan da transistoreak siliziozko zatiaren alde bakar batean fabrikatzeko oinarrizko fabrikazio-teknikak lehenik garatu zirelako. Aurrerapenak edo hobekuntzak beti etorri dira batabestearen ondoren. Beraz, ez da bapateko asmaketa izan.

Zirkuitu integratuen fabrikazio-prozesuaren oinarrizko pausoak

Zirkuitu integratuaren kontzeptua sinplea izan arren, dagokion teknologiari ez zaio gauza bera gertatzen. Horregatik, zirkuitu integratu baten diseinua amaitzen denetik txipa lortu arte zehaztasun handiko prozesu konplexuen segida luzeari jarraitu behar zaio.

Zirkuitu integratu baten diseinu-prozesuan urrats batzuk eman behar dira; 3. irudian ikus daitezkeenak. Lehenengo fasean diseinatzaileek zirkuituak bete beharko duen funtzioa zehazten dute edo, gauza bera dena, arkitekturaren diseinua garatzen dute, eta zirkuituaren ezaugarririk garrantzitsuenak finkatu ere bai. Gero, gailuaren diseinu erreala egiteari ekiten zaio. Lehenik diseinu elektronikoa burutzen da, non osagai elektronikoak zehazten bait dira. Gero zirkuituaren osagai bakoitzaren tamaina eta posizioa kalkulatzen dira gutxi gorabehera, layout delako planoa marrazten delarik. Layout hau hiri bateko maparen antzekoa da, non osagaiak eraikuntzak bait dira eta osagaien arteko konexioak, aldiz, kaleak.

6. irudia. Inguruneko garbitasuna oso garrantzitsua da.

Normalean aurrediseinu hau egiteko ordenadoreaz baliatzen dira diseinatzaileak, baina ordenadorerik gabe egiten bada, beharrezkoa da horrela sortutako informazioa ordenadorera sartzea, ondorengo pauso guztiak berak burutu ditzan. Informazio honekin txiparen fabrikazio-prozesuari ekiten zaio.

Fabrikazioa N edo P motako ezpurutasunak dituen siliziozko zilindro bat lortuz hasten da (4. irudia). Zilindro hau monokristala izan ohi da eta bere diametroa 75 eta 150 milimetro bitartekoa. Geroxeago zilindro hau 0,5 mm-ko lodieradun fitxa edo geruza finetan banatzen da (5. irudia). Guzti hau oso ingurune garbian egin behar da, zeren edozein hauts-partikulak zirkuituan akatsa sor bait lezake (6. irudia).

Geruza edo fitxa bakoitza sare batez hainbat datotan zatituko da, baina datoak ez dira banatuko prozesu guztiak amaitu arte. Dato hauetariko bakoitzean zirkuitu bat integratuko da. Dato guztietan zirkuitu bera integra daiteke edo hainbat zirkuitu desberdin (7. irudia). Fitxan sartzen diren zirkuitu guztiak batera fabrikatzen direnez, hau da, behar diren denbora eta tresnak berak izanik, gailu hauen kostua bereizitako transistorearena baino askoz ere txikiagoa da, erabili behar den teknologia konplexuagoa izan arren.

Transistorearen osaketa

Adibidez, 8. irudian nMOS motako transistore baten fabrikazio-urratsak erakusten dira. Hemendik aurrera hartutako fitxa P motakoa dela pentsatuko dugu, eta hau izango da zirkuitu integratuaren oinarria edo substratua.

Oxidazioa

7. irudia. Fitxa batean zirkuitu desberdinak integra daitezke.

Hasieran, erdieroalezko fitxa finak babesteko oxigeno purua pasarazten da azal gainetik. Oxigeno-atomoak siliziozkoekin elkartzen dira silizio dioxidozko (SiO2) geruza bat osatuz. Geruza hau isolatzailea da eta honen bitartez fitxaren azala estaltzen da, une horretatik aurrera edozein erreakzio kimiko ezinezkoa izanik. Horrela azala babestea lortzen da (8a irudia). Oxido-geruza honen lodiera oxidazioak iraun duen denboraren araberakoa da.

Ezarpena

Fase honetan azal gainean (oxido-geruzan, alegia) silizio polikristalinoa uzten edo ezartzen da. MOS transistorearen atea delako terminala lortzeko egokiro moztu edo marraztu behar da (8b irudia).

Gero bi leiho ireki behar dira oxido isolatzailean, geroxeago N motako bi zonak sortzeko. Horretarako ondorengo bi prozesuok burutu behar dira:

Fotolitografia

Pauso honetan erretxina fotosentikor bat ezartzen da azalean. Gero layout delako planoa oinarritzat hartuz lortutako mozorro bat jartzen da azal gainean eta fitxa argi ultramorean kokatzen da. Argiaren eragina dela eta, erretxinaren zona batzuei beren ezaugarriak aldatu egingo zaizkie. Aldaketa hauek erretxina-motaren araberakoak dira: erretxina negatiboa baldin bada, argiak jotako zonak disolbaezin bihurtzen dira besteak hasieratik disolbagarriak izanik, eta erretxina positiboa baldin bada (argazki-pelikuletan bezalaxe) alderantziz. Ezaugarrien aldaketa honek hurrengo urratsa ematea baimentzen du.

Grabaketa

9. irudia. Siliziozko zilindroak labera sartu behar dira kimikoki erasotzeko
tenperatura altuetan

Pauso honetan fitxak erasoa jasaten du. Eraso hau kimikoa (disolbatzaileak direla medio) nahiz fisikoa (energia handiko ioiak bonbardatuz) izan daiteke. Eraso honen bitartez erretxinak babestu gabeko zonetan (erretxina disolbagarria duten zonetan, alegia) oxido-geruza desagertu egiten da leihoak irekita utziz (8c irudia).

Difusioa

Leihoak ireki ondoren ezpurutasunak sartzeari ekiten zaio. Horretarako emailea edo hartzailea den materiala erabiltzen da. Kasu honetan, substratua P motakoa denez, N motako ezpurutasunak sartu beharko dira, material emaileak erabiliz: fosforoa P, artsenikoa As,... Ezpurutasunak difusioa dela medio sartzen dira silizioan. Horretarako, aukeratutako material emaile horretan aberatsa den gasa erabiltzen da, tenperatura altuan azal gainetik putz egiten delarik eta fitxa labe berezi batean sartuta dagoelarik (9. irudia). Horrela N motako bi zona sortzen dira. Zona hauen sakonera difusioaren iraupenak eta materialaren kontzentrazioak finkatzen dute (8d irudia).

Difusio-teknikaren alternatiba moduan beste teknika bat erabili ohi da: ioi-ezarpen delakoa. Honetan energia handiko ioiak botatzen edo bonbardatzen dira fitxaren gainazalaren kontra. Honen abantailak hauexek dira: ezpurutasunen kontzentrazioak eta sakonera errazago kontrolatzen dira eta behar diren tenperaturak baxuagoak dira.


Oxidazioa

N motako zonak sortu ondoren, hurrengo pausoari ekin baino lehen, azala berriro estaltzen da beste oxido-geruza batez (8d irudia).

Metalizazioa

Azkenik, metalezko azken geruza ezartzen da, horretan aluminioa erabili ohi delarik. Hasieran azal osoa estaltzen da aluminioz, geroxeago kontaktuak izan ezik zona guztiak beste prozesu fotolitografiko batez garbitu behar direlarik. Horrela transistorearen D drenadorea eta S iturria direlako kontaktuak lortzen dira (8e irudia). Horrela amaitzen da transistore sinple baten fabrikazioa.

10. irudian bi transistore, bat N motakoa eta bestea P motakoa, ikus daitezke.

8. irudia. nMOS transistorearen osaketa.

Zirkuitu konplexuagoak (osagai gehiagokoak alegia) fabrikatzeko pausoak azaldutakoak dira. Desberdintasunik nabariena prozesu fotolitografikoetan erabiltzen diren mozorroen konplexutasuna da. Era berean, transistore-mota desberdinak behar direnez, prozesu-kopurua pixka bat handiagoa izango da beste geruza batzuk behar direlako.

11. irudia. Fitxako datoak edo zirkuituak banatu egin behar dira.

Zirkuitu integratuaren geruza bakoitzari mozorro bat dagokio. Mozorro horretan geruza horri dagokion informazio geometriko eta topologikoa ematen dira layouta oinarritzat hartuta. Beraz, txipa fabrikatzeko prozesuaren etapa bakoitzarentzat dagokion mozorroa sortu behar da.

Hasieran komentatu dugunez, fitxa hainbat datotan zatitu da. Hauetariko bakoitzean zirkuitu integratu bat lortzen da aurreko prozesu guztiak segitu ondoren. Horregatik orain zirkuitu desberdinak banatu behar dira hasierako fitxa moztuz

11. irudia

Honela lortutako zirkuituak ondo dauden ala ez ziurtatzeko kalitate-kontroleko prozesu bati ekiten zaio ondoren (12. irudia). Hau egin eta gero, kanpoko kontaktuak soldatzen dira; zirkuitua munduarekin lotzen duten kontaktuak hain zuzen. Kontaktu hauek urrezkoak izan ohi dira (13. irudia). Gero kapsula batean ixten dira (14. irudia), kapsula plastikozkoa edo zeramikazkoa izan daitekeelarik.

10. irudia. CMOS zirkuitu baten zeharkako ebakidura.

Integrazio-mailak


Siliziozko zati berean integratutako osagaien kopuruaren arabera, integrazio-maila desberdinak bereizten dira, hau da, segun eta azalera-unitateko osagai-dentsitatea zein den. Zentzu honetan, txip bateko transistore-kopurua bi hamarkadetan bakarrik 2 izatetik 500.000 baino handiagoa izatera igaro da, zirkuitu integratuen belaunaldiak sortuz (ordenadoretan bezalaxe). Ikusi 1. taula.
12. irudia. Txipa fabrikatu ondoren oso ondo ikuskatu behar da edozein akats aurkitzeko.

Taula honetan honakoa ikusten da: konplexutasun altueneko zirkuituak gaur egun VLSI (Very Large Scale of Integration) mailakoak edo oso integrazio maila handiko zirkuituak direla. Berorietan osagai-kopurua oso handia izateaz gain, osagaien tamaina gero eta txikiagoa da, osagaiek betetako silizio-azalera oso garrantzitsua izanik. Esate baterako, transistoreen neurriak mikratan ematen dira, mikra bat (1µm) milimetro bat baino mila aldiz txikiagoa delarik. Neurri hauetatik datorkie izena mikroelektronikari, mikroprozesadoreei eta abarri.

Laburbilduz, hauxe esan daiteke: transistoreen tamaina zenbat eta txikiagoa izan, osagai-kopurua hainbat eta handiagoa izango dela. Honen eragina zirkuitu integratua definitzen duen layout edo planoan nabaritzen da. Plano hauek konplexuegiak suertatzen dira pertsona batek marraz ditzan. Horregatik, guztiz beharrezkoa suertatzen da ordenadorearen laguntza diseinu-prozesu osoa eta fabrikazioa errazteko.

SSI = Small Scale Integration = Integrazio-eskala txikia.
MSI = Medium Scale Integration = Integrazio-eskala ertaina.
LSI = Large Scale Integration = Integrazio-eskala altua.
VLSI = Very Large Scale Integration = Oso integrazio-eskala altua.

1. taula. Mikroelektronikaren garapena.

CAD/CAE: ordenadorez lagunduriko diseinua eta injinerutza

Orokorrean, edozein diseinu egiterakoan diseinua errazteko ordenadorea erabiltzen bada, CAD (Computer Aided Design) hitza erabili ohi dugu. Zirkuitu integratuen diseinuan edo diseinu elektronikoan, bi alderdi bereizten dira: alde batetik, diseinu geometrikoa egin behar da, sistema adierazteko marrazki eta irudiak alegia (blokekako eskemak abstrakzio-mailarik altuenean; logika-mailakoak ate logikoak adieraziz; transistore-mailakoak edo elektrikoak; fabrikatzailearentzako mozorroak —layout— edo fisikoak). Horretarako CAD programak erabiltzen dira.

Baina bestetik, eta garrantzitsuena den diseinu elektronikoan, diseinu-prozesuan zehar beste ezaugarri batzuk zaindu behar dira, lortutako zirkuitu integratua guztiz fidagarria edo (ahal den fidagarriena behinik behin) izan dadin. Ezaugarri hauek funtzionamenduarekin daude lotuta, berauek kontrolatzeko ordenadore bidezko simulazioak egiten direlarik. Horretarako CAE (Computer Aided Engineering) direlako programak erabiltzen dira. Eta zer da zirkuitua simulatzea? Ba, diseinatutako zirkuituaren funtzionamendua egiaztatzen duen prozesua, hau da, zirkuituaren funtzionamendua ematen duten ekuazioak ordenadore bitartez ebaztea, horrela funtzionamendu teorikoa lortzen delarik. Ekuazio hauek simuladore izeneko programek ebazten dituzte. (Seguru asko batek baino gehiagok ezagutzen ditu hegaldi-simuladoreak —PCetarako jokoa baietz ezagutu!—; hauen bitartez hegazkinetako pilotuak edo hegazkinlariak entrenatzen dira hegazkin eta aireporturik gabe, hau da, inora hegan egin gabe!).

13. irudia. Urrezko hariak direla medio, zirkuitu integratua bere hankatxoekin konektatzen da.

Simulazioaren beharra diseinu-prozesuaren ezaugarrietan datza. Hasieran, diseinatu nahi dugun sistemaren funtzionamendua ezagutzen dugu. Hortik abiatuta, sistema osoa hainbat bloketan banatzen da, bloke horien diseinua errazagoa delakoan. Bloke bakoitzarekin banaketa bera egin daiteke, lortutako azken blokeen konplexutasuna edo zailtasuna diseinatzailearentzat jasangarria izan arte, agian bloke hauek bete behar duten funtzioa jadanik diseinatuta dagoelako (batutzaileak, konparatzaileak,... esate baterako) edota oso sinplea delako. Diseinu-metodo honi beheranzko diseinu deitu ohi zaio (top-down ingelesez). Azken blokeak diseinatu ondoren, elkartu egin behar dira aurreko mailako blokeak lortzeko, elkarketa hau mailarik altuenetaraino errepikatu behar delarik (hau da, prozesua orain behetik gora egiten da).

Diseinua bukatu ondoren, teorian zirkuitu fisikoa edo prototipoa eraiki daiteke. Praktikan, arazoa hauxe da: horren prozesu luzean oso erraza da funtzionamendu-akatsak sartu izana. Akats hauek zirkuitua fabrikatu baino lehen detektatzen ez badira, azkenean honakoa izango dugu: zirkuituak guk nahi genuen funtzioa ez betetzea, eta hori garestiegia suertatzen da, zeren diseinu-prozesuari hasieratik berriro ekin behar bait zaio. Diru-galtze hau ekiditeko simulazioak egiten dira.

Simuladore elektronikoak, oro har, bi eratakoak izan daitezke: simuladore logikoak (ekuazio boolearrak erabiltzen dituztenak) eta simuladore elektrikoak (korronte eta tentsioen arteko ekuazioak ebazten dituztenak). Simuladore hauen datu-sarrerak grafikoak (CAD programen bidez sartutakoak) edota ekuazioak (testu-prozesadore baten bitartez sartutakoak) izan daitezke. Era berean, irteera grafikoa izan ohi da; denborazko diagramak edo kronogramak normalean (15. irudia). Simulazioaz lortutako funtzionamendua eta bilatutakoa berdinak badira, aurrera segi daiteke zirkuitua integratzeko. Bestela aldaketak egin beharko dira detektatutako akatsak edo desberdintasunak desagertu arte.

Zirkuitu integratuak gero eta konplexuagoak izanik, CAD/CAE ordenadore bidezko laguntza-programak hobetu egin behar izan dira zirkuituen konplexutasun-maila horiei eutsi ahal izateko. Baina programa hauek hobetu direnean, eutsi nahi zen konplexutasun-maila baino altuagoa maneiatu ahal izan da. Hori dela eta, are eta zirkuitu konplexuagoak diseinatu ahal izan dira. Zirkuitu hauek erabiliz eraikitako ordenadoreak ahaltsuagoak suertatu dira. Ahalmen handiago horri esker, programa zailagoak eta luzeagoak exekutatu ahal izan dira denbora-tarte baliokidetan. Programa hauen bitartez, berriro zirkuitu konplexuagoak, eta abar.

Hau da, efektu nabarmen bat agertzen da eta efektu horri elektronikan berrelikadura positiboa deritzo (16. irudia). Hau da, ekintza baten emaitza edo irteera berrelikatu egiten da, sarreran beste sarrera batek bezala eragiten duelarik. Berrelikadura honen eragina positiboa ala negatiboa izan daiteke. Positiboa baldin bada, azaldutako kasuan bezalaxe, irteera berria handiagoa izango da. Negatiboa bada, aldiz, irteera txikiagoa izango da.

VLSI zirkuituen berrikuntza edo ekarpena, beraz, ez da tamaina edo kostua txikiagotzea bakarrik; horretarako asmatutako diseinu-metodo berri eta bereziak eta laguntzeko asmatutako tresnak ere bai baizik.

15. irudia. Simuladorearen bitartez zirkuituaren funtzionamendu teorikoa ezagutu daiteke.

Zirkuitu hauekin filosofia klasikoak ez du jadanik balio (hau da, fabrikatzaileak ez ditu jadanik zirkuituak diseinatzen). Beharrezkoa da bezero berak bere zirkuitua definitu ahal izatea. Diseinu-denborak ahal den laburrena izan behar du eta kostuak ahal den txikiena. Ikus ditzagun ba diseinatzailearen esku dauden diseinu-filosofiak.

Diseinu-aukerak


Sistema digital osoa diseinatzerakoan (zirkuitu integratuak erabiliz) aukera bat baino gehiago dago:

  • Diseinu estandarra, zirkuitu integratu estandarrak erabiliz. Kasu honetan, zirkuitu integratuen fabrikatzaileak aukeratzen du zirkuituak beteko duen funtzioa. Sistemaren diseinatzaileak horrelako zirkuitu batzuk erabili beharko ditu bere sistema osatzeko, txipak zirkuitu inprimatu batean elkartzen direlarik. Zirkuitu inprimatuzko plakak diseinatzeko (zirkuitu integratuen kokapena plakan —placement— eta beraien arteko konexioak edo bideak —routing—) CAD programak erabiltzen dira (17. irudia).
  • Full-custom diseinua edo erabiltzailearen beharrei guztiz egokitutako diseinua. Kasu honetan diseinatzaileak bere zirkuitu integratu berezia diseinatzen du, fabrikatzaileari fabrikazio-prozesuan zehar erabili behar dituen mozorroak pasatu behar dizkiolarik. Horretarako, gaur egun, guztiz beharrezkoak suertatzen dira CAD/CAE programak, zirkuitu integratuen konplexutasuna dela eta. Aukera hau oso garestia da eta bakarrik erabiltzen da fabrikatu behar den zirkuitu-kopurua oso altua denean (milioi bat zirkuitu adibidez).
  • Semi-custom diseinua edo erabiltzailearen beharrei aurre egiteko fabrikatzaileak egokitutako zirkuitu integratuak. Fabrikatzaileak zirkuituak diseinatzen ditu, baina askatasun-pixka bat uzten dio diseinatzaileari zirkuituak bete behar duen funtzioa berak aukera dezan. Bi aukera daude: Gate Arrays (GA) edo ate logikoen sareak eta Standard Cells (SC) edo zelula estandarrak.
    Ate logikoen sareetan (GA) fabrikatzaileak metalizazioan behar direnak ez eta beste mozorro guztiak diseinatzen ditu. Horrela, fabrikatzaileak osagaien (transistoreen) ezaugarriak, hala nola beraien tamaina eta kokapen erlatiboak, finkatzen ditu, baina diseinatzaileak, metalizazioaren bidez, osagaien arteko konexioak aukeratzen ditu zirkuituak funtzio konkretu bat burutu dezan. Hau da, diseinatzaileak metalizazioaren mozorroa baino ez du marraztu behar.
16. irudia. Berrelikadura positiboaren eragina zirkuitu integratuen konplexutasun-mailan.

Zelula estandarretan (SC) aldiz, diseinatzaileak nahi dituen osagaiak (transistoreak) erabiltzen ditu eta berak nahi duen posizioan kokatu ere. Beraz mozorro guztiak pasatu beharko dizkio fabrikatzaileari honek zirkuitu integratua fabrika dezan. Baina osagaien ezaugarriak (tamaina batipat) fabrikatzaileak definitu ditu, ezaugarri hauek diseinatzaileari zelulen liburutegi batean pasatu dizkiolarik.

Garbi dago, beraz, diseinu-aukera hauetan diseinatzaileak askatasun gutxiago duela full-custom-ekin konparatuta. Baina prezioa merkeagoa da, eta diseinua burutzeko denbora laburragoa ere bai. Hemen ere CAD/CAE tresnak oso lagungarri suertatzen dira.

Oro har, diseinu-aukera bat edo beste hautatzeko orduan hainbat faktore hartu behar da kontutan: fabrikatu nahi den zirkuitu-kopurua; gastatu nahi den dirua; diseinu-denbora (zirkuitua lehenbailehen merkaturatzeko); ordenadore bidezko tresna lagungarriak erabiltzeko aukera; eta abar.

Azken bi aukerei jarraituz (full-custom eta semi-custom direlakoei, alegia) lortutako zirkuituei ASIC (ingelesez Application Specific Integrated Circuits edo aplikazio berezietarako zirkuitu integratuak) deritze.

14. irudia. Kaptsula-mota asko dago: plastikozkoak, zeramikazkoak, eta abar.

Diseinu estandarrari jarraituz, integrazio-maila guztietako zirkuitu integratuak erabil daitezke. Erabilitako zirkuitu-integratuen integrazio-maila zenbat eta baxuagoa izan, hainbat eta handiagoa izango da zirkuitu-kopurua eta, beraz, baita zirkuitu inprimatuzko plakaren tamaina eta konplexutasuna ere, zirkuituen arteko elkarkonexioak direla eta. Diseinu-aukera hau bakarrik onar daiteke diseinatu edo eraiki nahi den sistema oso konplexua ez denean. Bestalde, oso erraza da horrela diseinatutako sistema kopiatzea, horrek galera ekonomikoa ekar dezakeelarik.

Zalantzarik gabe, desiragarria litzateke zirkuitu bakar batek ahalik eta osagai-kopururik handiena ordezkatzea. Hori nahiz mikroprozesadore bat nahiz ASIC bat erabiliz egin daiteke.

Mikroprozesadorea, nahiz estandarra izan, oso VLSI zirkuitu konplexua da eta horregatik bere garapen-kostua astronomikoa da. Dena den, oso funtzio desberdinak burutzeko programa daiteke eta horri esker edonon aurki ditzakegu mikroprozesadoreak. Oso sistema desberdinetan: ikuztailu automatikoan ala gasolina-ponpa batean.

Hainbeste aplikaziotan erabil daitekeenez, mikroprozesadore asko fabrika daitezke eta horrek garapen-kostua murriztu egiten du, zeren fabrikatutako unitate guztien artean banatu behar bait da. Horregatik, mikroprozesadore aurreratu batek mila pezeta baino gutxiago balio dezake, bere diseinuan pertsona-urte asko gastatu arren.

17. irudia. Sistema konplexuak lortzeko zirkuitu integratu asko plaka inprimatu batean sartzen da.

Mikroprozesadorea helburu orokorreko zirkuitua da eta horregatik aplikazio desberdinetan erabil daiteke. Baina hori dela eta, aplikazio guztietan ez da oso eraginkorra izango. Hau da, aplikazio konkretu bati horretarako bereziki diseinatutako zirkuitua hobeto egokituko zaio mikroprozesadorea baino. Horregatik dute ASIC zirkuituek garrantzia. Baina hauek sistema-kopurua oso handia denean bakarrik suertatzen dira konparagarri (mikroprozesadoreekin), kostu handiagoa dutelako.

Dena den, lehenengo eta beste bi diseinu-aukeren arteko jauzia gero eta estuagoa da, fabrikatzaileak egokitutako zirkuituen multzoa gero eta handiagoa izanik: PLA (Programmable Logic Arrays edo sare logiko programagarriak), PLD (Programmable Logic Devices edo zirkuitu logiko programagarriak), PGA (Programmable Gate Arrays edo ate logikoen sare programagarriak), eta abar. Izenak aztertuz ikusten denez, guztiak antzekoak dira eta ezaugarririk garrantzitsuena programagarriak izatea da, hau da, diseinatzaileak bere laborategian lor dezake zirkuitu integratu egokitua fabrikatzaileari itzuli gabe.

Mikroelektronikaren oraina eta geroa

Zirkuitu mikroelektronikoen tamaina txikiago eta ahalmen handiagoei esker lortutako etekinak oso garrantzitsuak izan dira: sistemen tamaina, pisua eta kostua nabarmen txikiagotu dira eta aldi berean errendimendua asko hobetu da. Izan ere, integrazioak ekarritako etekinak gero eta handiagoak izan dira denbora pasatu ahala, eta guzti honen bukaera ez daukagu oraindik begibistan. Gaur egun silizio gainean eraiki daitezkeen sistema elektronikoak hain konplexutasun-maila altuko eta tamaina txikikoak dira, ezen mugak gizakiaren edota ordenadorerik ahaltsuenen ezgaitasunak ezartzen bait ditu; sistema hauek osoki ulertzeko ezgaitasunak bereziki.

18. irudia. Zirkuitu integratuen konplexutasuna gero eta handiagoa da eta maneiatu ahal izateko, ordenadorez lagunduriko diseinuaguztiz beharrezkoa da.

Orain arte osagai, zirkuitu eta sistemaren arteko desberdintasunak nabariak izan arren, orain desagertu egin dira nolabait. Teorian posible da sistema osoa txip bakar batean integratzea. Erantzuteke gelditzen den galdera bakarra hauxe da: zein da sistema horren tamaina edo konplexutasuna?.

Zirkuitu integratu bakar batean integratutako sistemak ondoko ezaugarri desiragarriak izango ditu: a) Zirkuitu inprimatuzko plaka askoz sinpleagoa izango da; beraz, merkeagoa. Txip desberdinen arteko konexio gutxiago beharko da eta horregatik beharko den lanesku eta makinen kostuak izugarri txikiagotuko dira. b) Sistemaren fidagarritasun-maila hobetu egingo da, zeren eta zirkuituen arteko elkarkonexioek finkatzen bait dute. c) Sistemaren kontsumitutako potentzia nabariki txikiagotuko da. Horrek potentzi iturri edo pila txikiagoak beharko direla adierazten du edo, gauza bera dena, pila batek denbora gehiago iraungo duela. d) Sistema azkarragoa izango da seguru asko. e) Sistemaren diseinua ez kopiatzeko babestea askoz errazagoa izango da, hau da, lehiakideari zailagoa gertatuko zaio sistema hori kopiatzea.

Konputazio-ahalmen handiagoa edonorentzat eskuragarri izatea lortzen bada, gaur egun erabakiezinak diren problemak (behar den konputazio-denboragatik batipat) ebatzi ahal izango dira, gaur egungo amets asko egia bihurtuko direlarik.

Mikroelektronika ordenadore- eta komunikazio-industriekin elkartu denean, Informazioaren Teknologia delako eremu berria sortu da. Eremu honetan berriz, beste eremu berri batzuk ireki dira, Adimen Artifiziala kasu. Beraz, makina adimendunak lortzen badira, besteak beste mikroelektronikan edo zirkuitu integratuen teknologian gertatutako aurrerakuntzei esker izango da.

Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.

Saioa hasi

Erabiltzaile-izenik ez baduzu, eman izena

Pasahitza ahaztu zait

Jarraitu Zientzia.eus

Eduki gehiago

Gehitu zure bloga

Zientzia app

Webgune honek cookieak erabiltzen ditu zure nabigazio-esperientzia hobetzeko. Nabigatzen jarraitzen baduzu, ulertuko dugu cookie horien erabilera onartzen duzula. Onartu
Informazio gehiago
Babesleak

Kultura eta Hizkuntza Politika Sailak (Hizkuntza Politikarako Sailburuordetzak) diruz lagundua

Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila
Gipuzkoako Foru Aldundia