Worldlex Wiki Un circuit intégré ( CI ), également appelé microprocesseur ou simplement puce , est un assemblage compact de circuits électroniques constitué de divers composants électroniques , tels que des transistors , des résistances et des condensateurs , et de leurs interconnexions. Ces composants sont fabriqués sur une fine plaque (« puce ») de matériau semi-conducteur , le plus souvent du silicium . Les circuits intégrés sont essentiels à une grande variété d'appareils électroniques ( ordinateurs , smartphones et téléviseurs , entre autres ) et assurent des fonctions telles que le traitement, le contrôle et le stockage des données. Ils ont transformé le domaine de l'électronique en permettant la miniaturisation des appareils, l'amélioration de leurs performances et la réduction de leurs coûts.
Comparés aux assemblages de composants discrets, les circuits intégrés sont considérablement plus petits, plus rapides, plus économes en énergie et moins coûteux, permettant ainsi un très grand nombre de transistors . Leur capacité de production en série , leur grande fiabilité et l'approche modulaire et standardisée de leur conception ont facilité le remplacement rapide des conceptions utilisant des transistors discrets. Aujourd'hui, les circuits intégrés sont présents dans la quasi-totalité des appareils électroniques et ont révolutionné la technologie moderne. Des produits tels que les processeurs d'ordinateurs , les microcontrôleurs , les processeurs de signaux numériques et les puces de traitement embarquées dans les appareils électroménagers sont essentiels à la société contemporaine grâce à leur petite taille, leur faible coût et leur polyvalence.
L'intégration à très grande échelle (VLS) a été rendue possible par les progrès technologiques dans la fabrication des semi-conducteurs . Depuis leur apparition dans les années 1960, la taille, la vitesse et la capacité des puces ont connu une progression fulgurante, grâce aux avancées techniques permettant d'intégrer toujours plus de transistors sur des puces de taille identique ; une puce moderne peut ainsi contenir plusieurs milliards de transistors sur une surface équivalente à celle d'un ongle. Ces progrès, qui suivent globalement la loi de Moore , confèrent aux puces informatiques actuelles une capacité des millions de fois supérieure et une vitesse des milliers de fois supérieure à celles des puces du début des années 1970.
Les circuits intégrés (CI) présentent trois avantages majeurs par rapport aux circuits composés de composants discrets : la taille, le coût et les performances. Leur taille et leur coût sont réduits car les puces, intégrant tous leurs composants, sont imprimées en une seule pièce par photolithographie , au lieu d'être fabriquées transistor par transistor. De plus, les CI encapsulés utilisent beaucoup moins de matériaux que les circuits discrets. Leurs performances sont élevées car les composants du CI commutent rapidement et consomment relativement peu d'énergie grâce à leur petite taille et leur proximité. Le principal inconvénient des CI réside dans le coût initial élevé de leur conception et l'investissement considérable que représente la construction d'usines. Ce coût initial élevé limite leur rentabilité commerciale aux volumes de production importants .
circuit intégré monolithique – constitué d'un circuit complet réalisé sur une seule puce de silicium . Dans le langage courant, l'appellation « circuit intégré » peut également s'appliquer à des circuits qui ne répondent pas à cette définition stricte et qui peuvent être construits à l'aide de diverses technologies telles que les circuits intégrés 3D , 2,5D , MCM , les transistors à couches minces , la technologie des couches épaisses ou les circuits intégrés hybrides . Cette distinction terminologique est souvent pertinente dans les débats sur la validité de la loi de Moore .Histoire
Les premiers circuits intégrés
Un concept précurseur du circuit intégré était le développement de petits substrats céramiques, appelés micromodules , chacun contenant un seul composant électronique miniaturisé. Ces modules pouvaient ensuite être assemblés et interconnectés en une grille compacte bidimensionnelle ou tridimensionnelle. L'idée, considérée comme très prometteuse en 1957, fut proposée à l' armée américaine par Jack Kilby [ donnant naissance au programme éphémère des micromodules (semblable dans son esprit au projet Tinkertoy de 1951) . Cependant, à mesure que le projet prenait de l'ampleur, Kilby conçut une approche fondamentalement nouvelle : le circuit intégré lui-même.
Nouvellement embauché par Texas Instruments , Kilby consigna ses premières idées concernant le circuit intégré en juillet 1958 et réalisa avec succès la première démonstration fonctionnelle d'un circuit intégré le 12 septembre 1958. Dans sa demande de brevet du 6 février 1959, Kilby décrivit son nouveau dispositif comme « un corps en matériau semi-conducteur… dans lequel tous les composants du circuit électronique sont entièrement intégrés ». Le premier client de cette invention fut l' US Air Force . Kilby reçut le prix Nobel de physique en 2000 pour sa contribution à l'invention du circuit intégré.
Cependant, l'invention de Kilby ne constituait pas une véritable puce de circuit intégré monolithique, car elle reposait sur des connexions externes en fil d'or, rendant la production à grande échelle impraticable. Environ six mois plus tard, Robert Noyce, chez Fairchild Semiconductor, développa la première puce de circuit intégré monolithique pratique. La puce de circuit intégré monolithique fut rendue possible par les inventions du procédé planaire de Jean Hoerni et de l' isolation par jonction p-n de Kurt Lehovec . L'invention de Hoerni s'appuyait sur les travaux de Carl Frosch et Lincoln Derick concernant la protection et la passivation de surface par masquage et prédéposition de dioxyde de silicium, ainsi que sur les travaux de Fuller, Ditzenberger et d'autres chercheurs sur la diffusion des impuretés dans le silicium.
Contrairement à la conception de Kilby à base de germanium, la version de Noyce était fabriquée en silicium par son collègue Jean Hoerni, selon un procédé planaire permettant des interconnexions fiables en aluminium sur la puce. Les puces CI modernes sont basées sur la conception monolithique de Noyce plutôt que sur le prototype initial de Kilby.
Le programme Apollo de la NASA a été le plus grand consommateur de circuits intégrés entre 1961 et 1965.
circuits intégrés TTL
L'utilisation de dizaines de circuits intégrés TTL était la méthode de construction standard pour les processeurs des mini-ordinateurs et des ordinateurs centraux . Des ordinateurs tels que les ordinateurs centraux IBM 360 , les mini-ordinateurs PDP-11 et l'ordinateur de bureau Datapoint 2200 étaient construits à partir de circuits intégrés bipolaires , soit TTL, soit la logique à couplage d'émetteur (ECL), plus rapide.
circuits intégrés MOS
Le premier circuit intégré MOS expérimental fabriqué fut une puce à 16 transistors conçue par Fred Heiman et Steven Hofstein chez RCA en 1962. General Microelectronics lança ensuite le premier circuit intégré MOS commercial en 1964, un registre à décalage à 120 transistors développé par Robert Norman. Dès 1964, les puces MOS atteignaient une densité de transistors supérieure et des coûts de fabrication inférieurs à ceux des puces bipolaires . La complexité des puces MOS continua de croître au rythme prédit par la loi de Moore , aboutissant à l'intégration à grande échelle (LSI) avec des centaines de transistors sur une seule puce MOS à la fin des années 1960.
grille auto-alignée (grille en silicium) par Robert Kerwin, Donald Klein et John Sarace aux Bell Labs en 1967 , la première technologie de circuit intégré MOS à grille en silicium auto-alignée , base de tous les circuits intégrés CMOS modernes , a été développée chez Fairchild Semiconductor par Federico Faggin en 1968 L'application des puces MOS LSI à l'informatique a été à la base des premiers microprocesseurs , les ingénieurs ayant commencé à comprendre qu'un processeur complet pouvait être intégré sur une seule puce MOS LSI. Ceci a conduit à l'invention du microprocesseur et du microcontrôleur au début des années 1970 . Au début des années 1970, la technologie des circuits intégrés MOS a permis l' intégration à très grande échelle (VLSI) de plus de 10 000 transistors sur une seule puce
Au départ, les ordinateurs à base de MOS n'avaient de sens que lorsque des exigences élevées en matière de densité étaient nécessaires, comme dans le domaine aérospatial et pour les calculatrices de poche . Les ordinateurs entièrement construits à partir de circuits TTL, tels que le Datapoint 2200 de 1970 , étaient beaucoup plus rapides et plus puissants que les microprocesseurs MOS monopuces, tels que l' Intel 8008 de 1972 , jusqu'au début des années 1980.
Advances in IC technology, primarily smaller features and larger chips, have allowed the number of MOS transistors in an integrated circuit to double every two years, a trend known as Moore's law. Moore originally stated it would double every year, but he went on to change the claim to every two years in 1975. This increased capacity has been used to decrease cost and increase functionality. In general, as the feature size shrinks, almost every aspect of an IC's operation improves. The cost per transistor and the switching power consumption per transistor goes down, while the memory capacity and speed go up, through the relationships defined by Dennard scaling (MOSFET scaling). Because speed, capacity, and power consumption gains are apparent to the end user, there is fierce competition among the manufacturers to use finer geometries. Over the years, transistor sizes have decreased from tens of microns in the early 1970s to 10 nanometers in 2017 with a corresponding million-fold increase in transistors per unit area. As of 2016, typical chip areas range from a few square millimeters to around 600mm2, with up to 25 million transistors per square millimeter.
The expected shrinking of feature sizes and the needed progress in related areas was forecast for many years by the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). The final ITRS was issued in 2016, and it is being replaced by the International Roadmap for Devices and Systems.
Initially, ICs were strictly electronic devices. The success of ICs has led to the integration of other technologies, in an attempt to obtain the same advantages of small size and low cost. These technologies include mechanical devices, optics, and sensors.
- Charge-coupled devices, and the closely related active-pixel sensors, are chips that are sensitive to light. They have largely replaced photographic film in scientific, medical, and consumer applications. Billions of these devices are now produced each year for applications such as cellphones, tablets, and digital cameras. This sub-field of ICs won the Nobel Prize in 2009.
- Des dispositifs mécaniques de très petite taille, actionnés par l'électricité, peuvent être intégrés sur des puces ; cette technologie est connue sous le nom de systèmes microélectromécaniques (MEMS). Ces dispositifs ont été développés à la fin des années 1980 et sont utilisés dans diverses applications commerciales et militaires. On peut citer comme exemples les projecteurs DLP , les imprimantes à jet d'encre , ainsi que les accéléromètres et les gyroscopes MEMS utilisés pour le déploiement des airbags automobiles .
- Depuis le début des années 2000, l'intégration de fonctionnalités optiques ( calcul optique ) dans les puces de silicium a fait l'objet de recherches actives tant dans le milieu universitaire que dans l'industrie, aboutissant à la commercialisation réussie d'émetteurs-récepteurs optiques intégrés sur silicium combinant des dispositifs optiques (modulateurs, détecteurs, routage) et une électronique CMOS. Des circuits intégrés photoniques utilisant la lumière, tels que le PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) de Lightelligence , sont également en cours de développement, exploitant le domaine émergent de la physique qu'est la photonique .
- Des circuits intégrés sont également développés pour des applications de capteurs dans les implants médicaux ou autres dispositifs bioélectroniques . Des techniques d'étanchéité spéciales doivent être appliquées dans ces environnements biogéniques afin d'éviter la corrosion ou la biodégradation des matériaux semi-conducteurs exposés.
des MOSFET fabriqués sur une seule couche, sur une face d'une puce de silicium, selon un procédé planaire bidimensionnel . Des chercheurs ont réalisé des prototypes de plusieurs alternatives prometteuses, telles que :
- diverses approches d'empilement de plusieurs couches de transistors pour créer un circuit intégré tridimensionnel (3DIC), telles que le via traversant le silicium , le « 3D monolithique », le câblage empilé, et d'autres méthodologies.
- transistors construits à partir d'autres matériaux : transistors en graphène , transistors en molybdénite , transistors à effet de champ à nanotubes de carbone , transistors en nitrure de gallium , dispositifs électroniques à nanofils de type transistor , transistors organiques à effet de champ , etc.
- fabrication de transistors sur toute la surface d'une petite sphère de silicium.
- modifications du substrat, généralement pour fabriquer des « transistors flexibles » pour un écran flexible ou d'autres composants électroniques flexibles , pouvant mener à un ordinateur mobile .
Face à la difficulté croissante de fabriquer des transistors toujours plus petits, les entreprises utilisent des modules multi-puces / chiplets , des circuits intégrés tridimensionnels (3D) , l'empilement de puces (package on package) , la mémoire à large bande passante (HBM) et les interconnexions traversantes (TVI) avec empilement de puces pour améliorer les performances et réduire la taille, sans pour autant réduire celle des transistors. Ces techniques sont collectivement appelées « encapsulation avancée » . L'encapsulation avancée se divise principalement en encapsulation 2,5D et 3D. L'encapsulation 2,5D décrit des approches telles que les modules multi-puces, tandis que l'encapsulation 3D décrit des approches où les puces sont empilées de diverses manières, comme l'empilement de puces (package on package) et la mémoire à large bande passante. Toutes ces approches impliquent au moins deux puces dans un seul boîtier . Par ailleurs, des approches telles que la mémoire NAND 3D empilent plusieurs couches sur une seule puce. Une technique a été démontrée pour inclure le refroidissement microfluidique sur les circuits intégrés, afin d'améliorer les performances de refroidissement ainsi que des refroidisseurs thermoélectriques Peltier sur les billes de soudure, ou des billes de soudure thermiques utilisées exclusivement pour la dissipation de chaleur, utilisées dans le flip-chip .
Conception
Le coût de conception et de développement d'un circuit intégré complexe est très élevé, généralement de l'ordre de plusieurs dizaines de millions de dollars. Par conséquent, il n'est économiquement judicieux de produire des circuits intégrés qu'en grande série, afin que les coûts d'ingénierie non récurrents (NRE) soient répartis sur des millions d'unités de production.
Les puces semi-conductrices modernes comportent des milliards de composants et sont bien trop complexes pour être conçues manuellement. Les outils logiciels d'assistance au concepteur sont donc indispensables. L'automatisation de la conception électronique (EDA), également appelée conception assistée par ordinateur (CAO) pour l'électronique est une catégorie d' outils logiciels permettant de concevoir des systèmes électroniques , notamment des circuits intégrés. Ces outils fonctionnent de concert au sein d'un flux de conception que les ingénieurs utilisent pour concevoir, vérifier et analyser des puces semi-conductrices complètes. Certains des outils EDA les plus récents exploitent l'intelligence artificielle (IA) pour aider les ingénieurs à gagner du temps et à améliorer les performances des puces.
Types
Les circuits intégrés peuvent être classés en grande partie en analogiques , numériques et mixtes , constitués de signaux analogiques et numériques sur le même CI.
Les circuits intégrés numériques peuvent contenir des milliards de portes logiques , de bascules , de multiplexeurs et d'autres circuits sur une surface de quelques millimètres carrés. Leur petite taille permet une vitesse élevée, une faible dissipation de puissance et un coût de fabrication réduit par rapport à l'intégration sur carte. Ces circuits intégrés numériques, généralement des microprocesseurs , des processeurs de signal numérique (DSP ) et des microcontrôleurs , utilisent l'algèbre booléenne pour traiter les signaux « 1 » et « 0 » .
Parmi les circuits intégrés les plus avancés figurent les microprocesseurs, ou « cœurs », utilisés dans les ordinateurs personnels, les téléphones portables, etc. Plusieurs cœurs peuvent être intégrés dans un seul circuit intégré ou une seule puce. Les puces de mémoire numérique et les circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC) sont des exemples d'autres familles de circuits intégrés.
Dans les années 1980, les dispositifs logiques programmables ont été développés. Ces dispositifs contiennent des circuits dont la fonction logique et la connectivité peuvent être programmées par l'utilisateur, au lieu d'être fixées par le fabricant de circuits intégrés. Cela permet de programmer une puce pour réaliser diverses fonctions de type LSI, telles que des portes logiques , des additionneurs et des registres . La programmabilité se présente sous différentes formes : des dispositifs programmables une seule fois , des dispositifs effaçables puis reprogrammables par lumière UV , des dispositifs (re)programmables à l'aide de mémoire flash et des réseaux de portes programmables (FPGA) qui peuvent être programmés à tout moment, même en cours de fonctionnement. Les FPGA actuels peuvent (en 2016) implémenter l'équivalent de millions de portes et fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 1 GHz .
Les circuits intégrés analogiques, tels que les capteurs , les circuits de gestion de l'alimentation et les amplificateurs opérationnels (op-amps), traitent des signaux continus et effectuent des fonctions analogiques telles que l'amplification , le filtrage actif , la démodulation et le mélange .
Les circuits intégrés (CI) peuvent combiner des circuits analogiques et numériques sur une puce pour créer des fonctions telles que des convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique . Ces circuits mixtes offrent une taille réduite et un coût inférieur, mais doivent tenir compte des interférences. Avant la fin des années 1990, il était impossible de fabriquer des radios avec les mêmes procédés CMOS économiques que les microprocesseurs. Depuis 1998, des puces radio sont développées grâce aux procédés CMOS RF . On peut citer comme exemples le téléphone sans fil DECT d'Intel ou les puces 802.11 ( Wi-Fi ) d' Atheros et d'autres entreprises.
Les distributeurs modernes de composants électroniques subdivisent souvent les circuits intégrés en sous-catégorisations :
- Les circuits intégrés numériques sont classés en circuits intégrés logiques (tels que les microprocesseurs et les microcontrôleurs ), puces mémoire (telles que la mémoire MOS et la mémoire à grille flottante ), circuits intégrés d'interface ( convertisseurs de niveau , sérialiseurs/désérialiseurs , etc.), circuits intégrés de gestion de l'alimentation et dispositifs programmables .
- Les circuits intégrés analogiques sont classés en circuits intégrés linéaires et circuits RF ( circuits radiofréquence ).
- Les circuits intégrés mixtes sont classés en circuits intégrés d'acquisition de données (y compris les convertisseurs A/D , les convertisseurs D/A et les potentiomètres numériques ), circuits intégrés d'horloge/de synchronisation , circuits à condensateurs commutés (SC) et circuits RF CMOS .
- Les circuits intégrés tridimensionnels (CI 3D) sont classés en CI traversant le silicium (TSV) et CI à connexion Cu-Cu.
Fabrication
Les semi-conducteurs du tableau périodique des éléments chimiques ont été identifiés comme les matériaux les plus prometteurs pour la fabrication de tubes électroniques à semi-conducteurs . L'oxyde de cuivre , suivi du germanium puis du silicium , a fait l'objet d'études systématiques dans les années 1940 et 1950. Aujourd'hui, le silicium monocristallin est le principal substrat utilisé pour les circuits intégrés, bien que certains composés III-V du tableau périodique, comme l'arséniure de gallium, soient employés pour des applications spécifiques telles que les LED , les lasers , les cellules solaires et les circuits intégrés à très haute vitesse. Il a fallu des décennies pour perfectionner les méthodes de fabrication de cristaux présentant un minimum de défauts dans la structure cristalline des matériaux semi-conducteurs .
Les circuits intégrés semi-conducteurs sont fabriqués selon un procédé planaire comprenant trois étapes clés : la photolithographie , le dépôt (par exemple, le dépôt chimique en phase vapeur ) et la gravure . Ces étapes principales sont complétées par le dopage et le nettoyage. Les circuits intégrés plus récents ou à hautes performances peuvent utiliser des transistors FinFET ou GAAFET multi-grilles au lieu de transistors planaires, à partir des nœuds technologiques de 22 nm (Intel) ou de 16/14 nm.
Les plaquettes de silicium monocristallin sont utilisées dans la plupart des applications (ou, pour des applications spécifiques, d'autres semi-conducteurs comme l'arséniure de gallium ). La plaquette n'est pas nécessairement composée exclusivement de silicium. La photolithographie permet de marquer différentes zones du substrat à doper ou sur lesquelles déposer des pistes de polysilicium, d'isolants ou de métal (généralement de l'aluminium ou du cuivre). Les dopants sont des impuretés introduites intentionnellement dans un semi-conducteur afin de moduler ses propriétés électroniques. Le dopage est le procédé d'ajout de dopants à un matériau semi-conducteur.
CMOS auto-aligné , un transistor est formé à chaque point où la couche de grille (polysilicium ou métal) croise une couche de diffusion (on parle alors de « grille auto-alignée » ). Étant donné qu'un dispositif CMOS ne consomme du courant que lors de la transition entre états logiques , les dispositifs CMOS consomment beaucoup moins de courant que les dispositifs à transistors bipolaires . La mémoire vive (RAM) est le type de circuit intégré le plus courant ; les circuits intégrés à haute densité sont donc des mémoires, même si un microprocesseur intègre généralement de la mémoire sur puce. (Voir la structure matricielle régulière au bas de la première image. ) Bien que les structures des dispositifs soient extrêmement complexes – avec des dimensions qui diminuent sans cesse depuis des décennies – les couches de matériaux restent beaucoup plus fines que les dimensions latérales des dispositifs. Ces couches sont fabriquées par un procédé analogue à la photolithographie , mais la lumière visible ne peut être utilisée pour la structuration, car ses longueurs d’onde sont trop importantes. On utilise donc des photons ultraviolets (UV) de longueur d’onde plus courte pour exposer chaque couche. Du fait de la finesse des motifs, les microscopes électroniques sont des outils essentiels pour un ingénieur de procédés travaillant sur la mise au point des procédés de fabrication . Chaque dispositif est testé avant son conditionnement à l'aide d' un équipement de test automatisé (ATE), selon une procédure appelée test ou sondage de plaquette. La plaquette est ensuite découpée en blocs rectangulaires, appelés puces . Chaque puce fonctionnelle est connectée à un boîtier à l'aide de fils de connexion en aluminium (ou en or) , fixés par brasage thermosonique . Le brasage thermosonique , introduit par A. Coucoulas, offre une méthode fiable pour établir des connexions électriques entre la puce et l'extérieur. Après le conditionnement, les dispositifs subissent des tests finaux sur le même ATE ou un ATE similaire à celui utilisé lors du sondage de plaquette. De plus, la tomographie industrielle peut être utilisée pour l'inspection. Le coût des tests peut représenter plus de 25 % du coût total de fabrication pour les produits à bas coût, mais est relativement négligeable pour les dispositifs à faible rendement, de grande taille ou plus coûteux. usine de fabrication (communément appelée usine de semi-conducteurs ) peut coûter plus de 12 milliards de dollars américains. Le coût d'une telle usine augmente avec le temps en raison de la complexité croissante des nouveaux produits ; c'est ce qu'on appelle la loi de Rock . Une telle usine comprend : Les circuits intégrés peuvent être fabriqués soit en interne par les fabricants de dispositifs intégrés (IDM), soit par des fonderies . Les IDM sont des entreprises verticalement intégrées (comme Intel et Samsung ) qui conçoivent, fabriquent et vendent leurs propres circuits intégrés, et peuvent proposer des services de conception et/ou de fabrication (fonderie) à d'autres entreprises (souvent des Nvidia ) conçoivent et vendent uniquement des circuits intégrés et sous-traitent toute la fabrication à des fonderies spécialisées telles que TSMC . Ces fonderies peuvent proposer des services de conception de circuits intégrés.
Conditionnement
Les premiers circuits intégrés étaient conditionnés dans des boîtiers plats en céramique , qui ont continué d'être utilisés par l' armée pendant de nombreuses années en raison de leur fiabilité et de leur format compact. Le conditionnement commercial a rapidement évolué vers le boîtier DIP (Dual In-line Package ) – d'abord en céramique, puis en plastique , généralement à base de résine crésol - formaldéhyde - novolaque .
Dans les années 1980, le VLSI a dépassé les limites pratiques du boîtier DIP, entraînant l'adoption des boîtiers PGA ( Pin Grid Array ) et LCC ( Leadless Chip Carrier ). La technologie de montage en surface (CMS) a émergé au début des années 1980 et s'est imposée à la fin de cette décennie, offrant un pas de connexion plus fin et utilisant des broches en forme d'aile de mouette ou en J. Un exemple courant est le boîtier SOIC ( Small-Outline Integrated Circuit ), qui occupe environ 30 à 50 % de surface en moins sur la carte qu'un boîtier DIP équivalent et est généralement 70 % plus fin. Ce boîtier est doté de broches en forme d'aile de mouette s'étendant sur ses deux côtés les plus longs, avec un espacement standard de 1,27 mm (0,050 pouce).
À la fin des années 1990, les boîtiers à quatre faces en plastique (PQFP) et les boîtiers à petit contour mince (TSOP) sont devenus les plus courants pour les dispositifs à grand nombre de broches, bien que les boîtiers PGA restent utilisés pour les microprocesseurs hautes performances .
Le boîtier BGA ( Ball Grid Array ) existe depuis les années 1970. Le BGA à puce retournée (FCBGA), développé dans les années 1990, permet un nombre de broches bien supérieur à celui de la plupart des autres types de boîtiers. Dans un FCBGA, la puce est montée à l'envers et connectée aux billes du boîtier par un substrat similaire à un circuit imprimé , et non par des fils de connexion. Cette conception permet de répartir les connexions d'entrée/sortie (E/S) – appelées E/S de zone – sur toute la surface de la puce, au lieu de les limiter à ses bords. Si les composants BGA éliminent le besoin d'un support dédié, leur remplacement en cas de panne est nettement plus complexe.
Intel a abandonné progressivement les sockets PGA au profit des sockets LGA et BGA à partir de 2004, le dernier socket PGA étant sorti en 2014 pour les plateformes mobiles. pistes conductrices du boîtier, et enfin les conducteurs reliant le boîtier aux pistes conductrices du circuit imprimé . Les matériaux et les structures utilisés pour le parcours de ces signaux présentent des propriétés électriques très différentes de celles des matériaux et des structures utilisés pour le parcours des signaux vers différentes parties de la même puce. Par conséquent, leur conception requiert des techniques spécifiques afin de garantir l'intégrité des signaux, ainsi qu'une puissance électrique bien supérieure à celle nécessaire pour les signaux confinés à la puce.
Lorsqu'on intègre plusieurs puces dans un seul boîtier, on obtient un système en boîtier ( module multi-puces (MCM) est créé en combinant plusieurs puces sur un petit substrat, souvent en céramique. La distinction entre un grand MCM et un petit circuit imprimé est parfois floue.
Les circuits intégrés encapsulés sont généralement suffisamment grands pour comporter des informations d'identification. On y trouve généralement quatre sections : le nom ou le logo du fabricant, la référence du composant, le numéro de lot de production, le numéro de série et un code de date à quatre chiffres indiquant la date de fabrication de la puce. Les composants CMS (composants montés en surface) de très petite taille ne comportent souvent qu'un numéro utilisé dans une table de référence du fabricant pour retrouver les caractéristiques du circuit intégré.
La date de fabrication est généralement représentée par une année à deux chiffres suivie d'un code de semaine à deux chiffres, de sorte qu'une pièce portant le code 8341 a été fabriquée au cours de la semaine 41 de 1983, soit approximativement en octobre 1983.
propriété intellectuelle
Une conférence diplomatique tenue à Washington, D.C., en 1989 a adopté un traité sur la propriété intellectuelle en matière de circuits intégrés , également appelé traité de Washington ou traité IPIC. Ce traité n'est actuellement pas en vigueur, mais a été partiellement intégré à l' Accord sur les ADPIC .
Il existe plusieurs brevets américains liés au circuit intégré, notamment des brevets de JS Kilby ( CE , le Royaume-Uni, l'Australie et la Corée, ont adopté des lois nationales protégeant les schémas d'implantation des circuits intégrés. Le Royaume-Uni a promulgué la loi de 1988 sur le droit d'auteur, les dessins et modèles et les brevets (Copyright, Designs and Patents Act, 1988, c. 48, s. 213), après avoir initialement considéré que sa législation sur le droit d'auteur protégeait pleinement les topographies des puces. Voir British Leyland Motor Corp c . Armstrong Patents Co.
Les critiques concernant l’inadéquation de l’approche britannique en matière de droit d’auteur, telle que perçue par l’ industrie américaine des semi-conducteurs, sont résumées dans l’article suivant sur l’évolution des droits sur les semi-conducteurs.
L’Australie a adopté la loi de 1989 sur la conception des circuits intégrés (Circuit Layouts Act 1989) comme une forme unique de protection des puces. La Corée a adopté la loi de 1992 sur la conception des circuits intégrés à semi-conducteurs (Act Concerning the Layout-Design of Semiconductor Integrated Circuits).
Générations
| Acronyme | Nom | Année | Nombre de transistors | Nombre de portes logiques |
|---|---|---|---|---|
| SSI | intégration à petite échelle | 1964 | 1 à 10 | 1 à 12 |
| MSI | intégration à moyenne échelle | 1968 | 10 à 500 | 13 à 99 |
| LSI | intégration à grande échelle | 1971 | 500 à 20 000 | 100 à 9999 |
| VLSI | intégration à très grande échelle | 1980 | 20 000 à 1 000 000 | 10 000 à 99 999 |
| ULSI | intégration à très grande échelle | 1984 | 1 000 000 et plus | 100 000 et plus |
Intégration à petite échelle (SSI)
Les premiers circuits intégrés ne contenaient que quelques transistors. Les premiers circuits numériques, composés de quelques dizaines de transistors, offraient quelques portes logiques, et les premiers circuits intégrés linéaires, tels que le Plessey SL201 ou le Philips TAA320, n'en comportaient que deux. Depuis, le nombre de transistors dans un circuit intégré a considérablement augmenté. Le terme « intégration à grande échelle » (LSI) a été utilisé pour la première fois par Rolf Landauer, chercheur chez IBM , pour décrire ce concept théorique ; ce terme a donné naissance aux termes « intégration à petite échelle » (SSI), « intégration à moyenne échelle » (MSI), « intégration à très grande échelle » (VLSI) et « intégration à ultra-grande échelle » (ULSI). Les premiers circuits intégrés étaient de type SSI.
Les circuits SSI ont joué un rôle crucial dans les premiers projets aérospatiaux , et ces mêmes projets ont contribué à stimuler le développement de cette technologie. Le missile Minuteman et le programme Apollo nécessitaient tous deux des calculateurs numériques légers pour leurs systèmes de guidage inertiel. Bien que le calculateur de guidage Apollo ait été un précurseur et un moteur du développement de la technologie des circuits intégrés , c'est le missile Minuteman qui a imposé sa production en série. Le programme de missiles Minuteman et divers autres programmes de l'US Navy représentaient la totalité du marché des circuits intégrés, soit 4 millions de dollars en 1962. En 1968, les dépenses du gouvernement américain dans les domaines spatial et de la défense représentaient encore 37 % de la production totale, qui s'élevait à 312 millions de dollars.
La demande du gouvernement américain a soutenu le marché naissant des circuits intégrés jusqu'à ce que les coûts baissent suffisamment pour permettre aux fabricants de circuits intégrés de pénétrer le marché industriel , puis le marché grand public . Le prix moyen d'un circuit intégré est passé de 50 $ en 1962 à 2,33 $ en 1968. Les circuits intégrés ont commencé à apparaître dans les produits grand public au début des années 1970. Une application typique était le traitement du son interporteuse FM dans les téléviseurs.
Les premières applications des puces MOS concernaient les puces à intégration à petite échelle (SSI). Suite à la proposition de Mohamed M. Atalla concernant la puce de circuit intégré MOS en 1960, la première puce MOS expérimentale fabriquée fut une puce à 16 transistors conçue par Fred Heiman et Steven Hofstein chez RCA en 1962. La première application pratique des puces MOS SSI fut pour les satellites de la NASA .
Intégration à moyenne échelle (MSI)
L'étape suivante dans le développement des circuits intégrés a introduit des dispositifs contenant des centaines de transistors sur chaque puce, appelés « intégration à moyenne échelle » (MSI).
La miniaturisation des transistors MOSFET a permis de fabriquer des puces à haute densité. Dès 1964, les puces MOS atteignaient une densité de transistors plus élevée et des coûts de fabrication inférieurs à ceux des puces bipolaires .
En 1964, Frank Wanlass présenta un registre à décalage 16 bits monopuce qu'il avait conçu, intégrant un nombre alors incroyable de 120 transistors MOS sur une seule puce. La même année, General Microelectronics lança le premier circuit intégré MOS commercial , composé de 120 transistors MOS à canal p . Il s'agissait d'un registre à décalage 20 bits , développé par Robert Norman et Frank Wanlass. La complexité des puces MOS continua de croître au rythme prédit par la loi de Moore , aboutissant à des puces contenant des centaines de MOSFET à la fin des années 1960.
Intégration à grande échelle (LSI)
Le développement ultérieur, motivé par la même technologie de mise à l'échelle MOSFET et par des facteurs économiques, a conduit à « l'intégration à grande échelle » (LSI) au milieu des années 1970, avec des dizaines de milliers de transistors par puce.
Les masques utilisés pour le traitement et la fabrication des circuits intégrés à petite échelle (SSI), à moyenne échelle (MSI) et des premiers circuits intégrés à grande échelle (LSI) et à très grande échelle (VLSI) (tels que les microprocesseurs du début des années 1970) étaient pour la plupart réalisés à la main, souvent à l'aide de ruban Rubylith ou d'un matériau similaire. Pour les circuits intégrés de grande taille ou complexes (tels que les mémoires ou les processeurs ), cette tâche était souvent confiée à des professionnels spécialement recrutés, chargés de la conception des circuits et placés sous la supervision d'une équipe d'ingénieurs. Ces derniers, en collaboration avec les concepteurs de circuits, inspectaient et vérifiaient l'exactitude et l'intégralité de chaque masque.
Les circuits intégrés tels que les mémoires RAM de 1 Kbit, les puces de calculatrices et les premiers microprocesseurs, dont la production a débuté en quantités modérées au début des années 1970, comportaient moins de 4 000 transistors. Les véritables circuits LSI, approchant les 10 000 transistors, ont commencé à être produits vers 1974, pour les mémoires principales des ordinateurs et les microprocesseurs de deuxième génération.
Intégration à très grande échelle (VLSI)
L’intégration à très grande échelle ( VLSI ) est une technologie qui a débuté avec des centaines de milliers de transistors au début des années 1980. En 2023, le nombre maximal de transistors par puce continuait de croître, dépassant les 5,3 billions de transistors.
De nombreux développements ont été nécessaires pour atteindre cette densité accrue. Les fabricants ont adopté des règles de conception MOSFET plus compactes et des installations de fabrication plus propres . L'évolution des procédés a été résumée par l' International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), qui a depuis été remplacée par l' International Roadmap for Devices and Systems (IRDS). Les outils de conception électronique se sont améliorés, permettant de finaliser les conceptions dans un délai raisonnable. La technologie CMOS, plus économe en énergie, a remplacé les technologies NMOS et PMOS , évitant ainsi une augmentation prohibitive de la consommation électrique . La complexité et la densité des dispositifs VLSI modernes ont rendu impossible la vérification manuelle des masques ou la conception initiale. Désormais, les ingénieurs utilisent des outils des vérifications fonctionnelles .
En 1986, les puces de mémoire vive (RAM) d'un mégabit , contenant plus d'un million de transistors, ont été introduites. Les puces de microprocesseurs ont franchi le cap du million de transistors en 1989 et celui du milliard en 2005. Cette tendance se poursuit à un rythme soutenu, les puces introduites en 2007 contenant des dizaines de milliards de transistors de mémoire.
ULSI, WSI, SoC et circuits intégrés 3D
Un système sur puce (SoC) est un circuit intégré regroupant tous les composants nécessaires à un ordinateur ou à un autre système sur une seule puce. La conception d'un tel dispositif peut s'avérer complexe et coûteuse. Bien que l'intégration de tous les composants nécessaires sur une seule puce permette d'améliorer les performances, le coût des licences et du développement d'une machine monopuce reste supérieur à celui de dispositifs séparés. Grâce à des licences appropriées, ces inconvénients sont compensés par des coûts de fabrication et d'assemblage réduits, ainsi que par une consommation d'énergie considérablement diminuée : les signaux entre les composants étant confinés sur la puce, la consommation d'énergie est bien moindre (voir De plus, la proximité physique des sources et des destinations des signaux sur la puce réduit la longueur du câblage et, par conséquent, la latence , les coûts de transmission d'énergie et la chaleur dissipée lors de la communication entre les modules sur la même puce. Ceci a conduit à l'exploration des dispositifs dits « réseau sur puce » (NoC), qui appliquent les méthodologies de conception des systèmes sur puce aux réseaux de communication numérique, contrairement aux architectures de bus traditionnelles .
Un circuit intégré tridimensionnel (3D-IC) comporte deux couches ou plus de composants électroniques actifs intégrés verticalement et horizontalement en un seul circuit. La communication entre les couches utilise une signalisation intégrée, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie par rapport à des circuits séparés équivalents. L'utilisation judicieuse de fils verticaux courts permet de réduire sensiblement la longueur totale des câbles et d'accélérer le fonctionnement.
Étiquetage en silicone et graffiti
Pour permettre leur identification lors de la production, la plupart des puces en silicium comportent un numéro de série dans un coin. Il est également courant d'y ajouter le logo du fabricant. Depuis la création des circuits intégrés, certains concepteurs de puces utilisent la surface du silicium pour y intégrer discrètement des images ou des mots non fonctionnels. Ces ajouts artistiques, souvent réalisés avec un grand souci du détail, témoignent de la créativité des concepteurs et confèrent une touche personnelle à des composants autrement utilitaires. On les désigne parfois sous les termes de « chip art » , « silicon art », « graffiti silicon » ou « gribouillage silicon ».
CI et familles de CI
- Circuit intégré de minuterie 555
- L' amplificateur opérationnel
- circuits intégrés de la série 7400
- Circuits intégrés de la série 4000 , l'équivalent CMOS de la série 7400 (voir aussi : série 74HC00 )
- L'Intel 4004 , généralement considéré comme le premier microprocesseur disponible sur le marché , a conduit au 8008, au célèbre processeur 8080 , au 8086, au 8088 (utilisé dans le PC IBM original ), et aux 80286 , 80386/i386, i486 , etc. , entièrement rétrocompatibles (avec le 8088/8086).
- Les microprocesseurs MOS Technology 6502 et Zilog Z80 , utilisés dans de nombreux ordinateurs personnels du début des années 1980
- La série 6800 de puces informatiques Motorola a donné naissance aux séries 68000 et 88000 (la série 68000 a connu un grand succès et a été utilisée dans les familles d'ordinateurs Apple Lisa et Macintosh pré-PowerPC, Commodore Amiga , Atari ST/TT/Falcon030 et NeXT, ainsi que dans de nombreux modèles de stations de travail et de serveurs de nombreux fabricants dans les années 80, ainsi que dans de nombreux autres systèmes et appareils).
- La série LM de circuits intégrés analogiques