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什么是集成电路?集成电路的发展与演变过程概述

266 2022-03-25 来源: IC先生 作者: IC先生

集成电路(IC,有时称为芯片、微芯片或微电子电路,是一种半导体晶片,在其上制造了数千或数百万个微型电阻器电容器、二极管和晶体管。集成电路可以用作放大器、振荡器、定时器、计数器、逻辑门、计算机存储器、微控制器或微处理器。

集成电路是所有现代电子设备的基本组成部分。顾名思义,它是一个集成系统,由多个微型化和互连的组件嵌入到半导体材料(通常是硅晶体)的薄基板中。

集成电路

单个集成电路可能包含数千或数百万个:

  • 晶体管
  • 电阻器
  • 电容器
  • 二极管
其他组件也可能封装在上面,所有的组件都通过半导体晶片、硅、铜和其他材料的复杂网络相互连接。在尺寸方面,每个组件都很小,通常是微观的。由此产生的电路,一个单片芯片,也很小——通常只够占据几平方毫米或几厘米的空间。

现代集成电路的一个常见例子是计算机处理器(CPU),它通常包含数百万或数十亿个晶体管、电容器、逻辑门等,它们连接在一起形成一个复杂的数字电路。注意,尽管处理器是集成电路,但并非所有集成电路都是处理器。

集成电路的历史与演变

1947年晶体管的发明,为现代计算机时代奠定了基础。

早期,每个晶体管都采用单独的塑料封装,每个电路由分立的晶体管、电容器和电阻器组成。由于这些组件的尺寸很大,早期的集成电路只能将其中的几个连在一起,并固定在电路板上。

随着时间的推移以及科学技术的进步,固态电子学的发展使得减小组件尺寸变得更加容易。

在1950年代后期,德州仪器公司的发明者Jack Kilby和仙童半导体公司的Robert Noyce 找到了在设备上铺设薄金属路径并使它们用作电线的方法,他们对小型电子设备之间布线问题的解决方案是现代集成电路发展的开始。

集成电路的历史与演变

现代集成电路的设计与建造

在过去的半个世纪里,集成电路以更快的速度、更大的容量和更小的尺寸取得了巨大的进步。

与早期相比,当今集成电路的复杂程度令人难以置信,能够在一块小材料上容纳数十亿个晶体管和其他组件。现代集成电路都是一体的,单个组件直接嵌入到硅晶体中,而不是简单地安装在其上。

一个集成电路依赖于多个抽象层次,构成集成电路的半导体晶片很脆弱,并且在其多层之间包含许多错综复杂的连接,而这些晶片的组合称为芯片。

由于单个芯片上有数百万或数十亿个组件,因此不可能单独定位和连接每个组件。模具太小而无法焊接和连接。相反,设计人员使用一种特殊用途的编程语言来创建小型电路元件并将它们组合起来,以逐步增加芯片上元件的尺寸和密度,以满足应用需求。

这些集成线路被“封装”以将精致而微小的芯片变成黑色芯片,也就是现在构成数百个电子设备的基础,包括:

  • 电脑
  • 智能手机
  • 汽车和飞机
  • 放大器
  • 网络交换机
  • 其他电子设备:洗衣机、烤面包机、微波炉、电视机等。

第三代志强处理器

集成电路的种类

集成电路可以是线性(模拟)、数字或两者的某种组合,具体取决于它们的预期应用。

模拟或线性集成线路具有连续可变的输出,具体取决于输入信号电平。理论上,这样的集成线路可以达到无限多的状态。对于这种集成线路类型,输出信号电平是输入信号电平的线性函数。理想情况下,当瞬时输出与瞬时输出作图时,绘图显示为一条直线。

模拟集成线路通常只使用几个组件并且非常简单。

线性集成线路用作音频 ( AF ) 和射频 ( RF ) 放大器。运算放大器(op amp)是这些应用中的常用器件。模拟集成线路的另一个常见应用是温度传感器,它可以对线性集成线路进行编程,以在信号达到特定值时打开或关闭各种设备,这些包括:

  • 空调
  • 加热器
  • 烤箱
与模拟集成线路不同,数字集成线路不能在连续的信号幅度范围内工作。相反,它们仅在几个定义的(离散的)级别或状态下运行。数字集成线路的基本构建块是逻辑门,它处理二进制数据,即只有两种不同状态的信号,称为低(逻辑0)和高(逻辑1)。

如今数字集成线路现在用于越来越多的应用,包括:

  • 电脑
  • 企业网络
  • 调制解调器
  • 频率计数器

混合集成线路结合了模拟和数字设计原则,它可以作为:

  • 数模转换器
  • 模数转换器
  • 时钟/定时器IC

微处理器和集成电路的区别

微处理器是最复杂的集成电路类型,每秒能够执行数十亿次操作。在计算设备中,微处理器包含运行计算机的中央处理单元 (CPU) 或专门用于渲染图像和视频的图形处理单元 ( GPU )。一个微处理器包含数十亿个相互连接的晶体管,每个晶体管都根据来自时钟的指令执行特定的逻辑功能。

当时钟改变状态时,晶体管执行它们被编程执行的逻辑功能(例如,计算),时钟频率决定了这些功能的速度。

CPU与GPU

如今的CPU和GPU是多核的,这意味着它们的集成电路有两个或更多的处理器来同时处理多个任务,提高性能并降低功耗。前者可以有几个核心,后者可以有数千个。

微处理器还包含不同类型的预定内存位置或存储信息的寄存器:

  • 永久寄存器:存储各种操作的预编程指令。
  • 临时寄存器:存储要操作的数字,以及操作的结果。
  • Counter:包含下一条指令的内存地址。
  • 堆栈指针:包含放入堆栈存储器的最后一条指令的地址。
  • 内存地址寄存器:包含要处理的数据的位置(地址)。

总结

总装,集成线路在不断的改变这我们的生活,与1940年代开发的第一台计算机相比,现代笔记本电脑的功能强大数千倍,体积却小了约100倍。要知道,ENIAC大约有三到四辆双层巴士那么大,并在18,000个真空管上运行。

如今集成电路能够使我们扩展利用晶体管和其他电子电路并将其整合到电子设计中,已经深入应用到当代生活中的各个领域,其意义非凡。

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