Vítejte, dnes je
neděle
22.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Cílem příspěvku je přiblížit i laické veřejnosti, co znamená integrovaný obvod, jak se navrhuje a vyrábí a k čemu nám slouží v běžném životě. Článek úvodem přibližuje neodbornému čtenáři pojem „integrovaný obvod“, jak vypadá, k čemu slouží, jaké jsou jeho rozměry apod. a kde se s ním můžeme potkat v běžném životě. Následují kapitoly věnované návrhu a výrobě integrovaných obvodů. Příspěvek také shrnuje možnosti dalšího využití integrovaných obvodů do budoucna.
Integrovaný obvod (čip) nebo také zkráceně ASIC (z angl. Application Specific Integrated Circuit) je velmi malá součástka o ploše řádu několika mm2, která ale obsahuje tisíce až stamiliony menších součástek zejména tranzistorů, ale také rezistorů nebo kapacitorů.
Lidově se ASICu říká „šváb“, a to zejména s ohledem na jeho vnější podobu, kdy uživatel nejčastěji vidí plastové nebo keramické pouzdro s vývody – obr. 1, připomínající uvedený hmyz. Nicméně platí, že to, co vidí konečný zákazník, je daleko větší než to, co je uvnitř pouzdra.
Obr. 1 Typický vzhled zapouzdřeného integrovaného obvodu
Pouzdro má totiž několik funkcí, jako je ochrana obvodu před poškozením, ale také zpřístupnění vstupních a výstupních vývodů (datové signály, napájení obvodu apod.) ASICu ven z pouzdra. To samozřejmě vyžaduje mnoho místa. Proto takový nepoměr mezi celkovými rozměry a plochou samotného čipu.
Integrovaný obvod má za úkol plnit elektrickou funkci na základě požadavků uživatele. Například procesor osobního počítače má za úkol řídit veškeré další součásti, vyměňovat si mezi nimi data, tato data zpracovávat atd.
Čipy, jak asi každý tuší, jsou v každém elektronickém zařízení. V dnešní době v podstatě nenaleznete oblast lidské činnosti, kde by integrovaný obvod nebyl. Výčet těchto oblastí je opravdu velmi široký, a proto uvedeme jen několik typických reprezentantů. Patří sem spotřební elektronika, domácí spotřebiče, mobilní přístroje, využívají se v dopravních prostředcích, v medicíně, automobilovém a strojním průmyslu, samozřejmě nelze opomenout kosmické lodě a satelity. Jedná se opravdu jen o to, co asi napadne každého, nicméně když řekneme, že čipy jsou mozek veškerých elektronických a elektrotechnických zařízení, určitě se nebudeme mýlit.
Integrované obvody v mnoha případech nahrazují řešení z diskrétních součástek. Mezi hlavní výhody, proč se vůbec zabývat návrhem a výrobou čipu, patří:
Celý proces návrhu a výroby čipu prochází několika fázemi, jak je uvedeno na obr. 2.
Obr. 2 Proces návrhu a výroby čipu
První dvě fáze jsou zaměřeny na požadavky zákazníka. Zahrnují zejména požadavky na vlastnosti a parametry finálního produktu a ekonomické otázky jako jsou náklady na vývoj, testování prvních vzorků a uvedení do výroby. Na straně dodavatele je pak kladen hlavní důraz opět na komerční potenciál výsledného produktu, zda je vývojový tým schopen zadání splnit (probíhá tzv. prestudy – situace u konkurence, možná řešení), zda má potřebné technologické zázemí apod.
Následuje fáze nejdůležitější, která se zabývá návrhem a vývojem daného čipu vč. výroby prvních vzorků a jejich testováním. Návrh integrovaného obvodu se řeší jedním ze dvou možných postupů. První se nazývá „odshora-dolů“ (top-bottom) a řeší čip nejdříve na úrovni kompletní černé skříňky, která splňuje zadanou funkci. Jednotlivé podbloky, až na úroveň samotných součástek, se navrhují následně. Druhý přístup je „ zdola-nahoru“ (bottom- top), kdy jsou již jednotlivé dílčí části navrženy a z nich se následně poskládá výsledný čip. Jako častější se používá první metoda, tedy „odshora-dolů“.
Proces návrhu uvedenou metodou zahrnuje celou řadu kroků:
Každý z uvedených kroků zahrnuje několik dalších úkonů, které zde nebudeme podrobně rozepisovat, nicméně od chvíle, kdy začnou návrháři řešit uvedený projekt, až po omezenou výrobu, uplyne v průměru 1 až 1,5 roku. Vše samozřejmě závisí na náročnosti zadání. Velmi často se stává, že uvedená doba může být i dvojnásobná. Na obr. 3 jsou uvedeny příklady toho, jak může vypadat blokové schéma kompletního integrovaného obvodu včetně jeho fyzické podoby tzv. topologie. V této fázi jsou důležité různé kontrolní nástroje, které porovnávají, zda schéma a topologie sobě navzájem odpovídají, a zda byla dodržena všechna pravidla daná technologií výroby.
Obr. 3 Příklad blokového zapojení čipu a jeho topologie
Po vyrobení prvních vzorků následují velmi důležitá testování, která prokáží, že návrh proběhl správně a bylo dosaženo parametrů, které byly požadovány zákazníkem. Často může nastat situace, kdy vše neodpovídá zadání. Poté musí následovat nutné úpravy v obvodu a následuje opět celý proces vytvoření zapojení, topologie, výroba vzorků a testování.
Tabulka: Počítače včera a dnes
V budoucnu lze očekávat rozšiřování využití čipů i v oblastech, kde jsou nyní pouze na pokraji zájmu. Z hlediska funkce integrovaných obvodů budou kladeny ještě větší požadavky na integrování mnoha funkcí do jednoho pouzdra a snižování jejich spotřeby. Předpokládá se rozvoj zejména díky tzv. inteligentním budovám včetně obytných domů, v mobilních aplikacích, při rozvoji kosmické turistiky, v dopravě a dopravních systémech a stále více i při aktivní kontrole zdraví tzv. personální medicíně.
Příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MIKROSYN – Nové trendy v mikroelektronických systémech a nanotechnologiích, MSM0021630503.
Webové stránky společnosti Intel – www.intel.com,
Mauchly J., Eckert, J., P., The History of the ENIAC Computer, článek přístupný na webové adrese http://inventors. about.com/od/estartinventions/a/ Eniac.htm,
Smola, D., ASIC Design Flow, prezentace AMISemiconductor v rámci dne popularizace Mikroelektroniky na VUT.
