Чип как интегральная микросхема¶

Чип (от англ. chip — кусочек, скол) — разговорное и устоявшееся техническое название интегральной микросхемы (ИМС), то есть микроэлектронного устройства, в котором транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и соединяющие их цепи изготовлены на одном кристалле полупроводникового материала (обычно кремния) и объединены в миниатюрный корпус. Термин «чип» возник в 1960-х годах и первоначально обозначал именно кусочек кремния, на котором формировалась микросхема; со временем слово стало универсальным обозначением любого готового микроэлектронного компонента — от простого транзисторного ключа до многоядерного процессора с миллиардами транзисторов.

¶Происхождение термина

Слово «чип» закрепилось в английском языке в середине 1960-х годов. Считается, что его ввёл в оборот Джек Килби из Texas Instruments, который в 1958 году продемонстрировал первую работающую интегрную схему — крошечный кусочек германия с нанесёнными на него компонентами. Параллельно над аналогичной конструкцией работал Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor, использовавший кремний и планарную технологию. В русскоязычной технической литературе термин «чип» укрепился в 1990-е годы, вытеснив часть употреблений слова «микросхема» в разговорном и техническом жаргоне, хотя в официальной документации и учебниках по-прежнему используется понятие «интегральная микросхема».

¶Устройство и принцип работы

Чип изготавливается из тонкой пластины (вафли) монокристаллического кремния, на которую фотолитографией наносится сложная структура транзисторов и межкомпонентных соединений. Поверх кремния формируются тончайшие слои диэлектриков, металлов и полупроводников; размер отдельного транзистора в современных процессорах измеряется единицами нанометров (нормы технологического процесса 5, 7, 10 нм и т. д.). Готовый кристалл разрезается на отдельные чипы, каждый из которых устанавливается в корпус с выводами и подключается к печатной плате.

По типу конструкции различают:

• Монолитные (кристаллические) чипы — вся схема выполнена на одном кристалле полупроводника.
• Гибридные интегральные схемы — несколько кристаллов и навесных компонентов размещены в одном корпусе.
• Технология System-in-Package (SiP) — несколько чипов объединяются в одном корпусе с использованием вертикального соединения.

¶Классификация чипов

По степени интеграции (числу компонентов на кристалле) чипы исторически делятся на:

По функциональному назначению чипы подразделяются на:

• Процессоры (CPU) — выполняют вычислительные операции;
• Графические процессоры (GPU) — обрабатывают графику и параллельные вычисления;
• Микроконтроллеры — процессор с памятью и периферией в одном чипе, применяются в встраиваемых системах;
• Оперативная память (DRAM, SRAM) — хранение данных во время работы;
• Постоянная память (Flash, EEPROM) — долговременное хранение;
• Логические чипы — вентили, мультиплексоры, декодеры;
• Аналоговые микросхемы — операционные усилители, компараторы, преобразователи;
• Специализированные чипи — ASIC, FPGA, нейропроцессоры, радиочастотные чипы.

¶Производство

Производство чипов — одна из наиболее технологически сложных отраслей промышленности. Основные этапы включают выращивание монокристаллических слитков кремния, нарезку вафель, фотолитографию, ионную имплантацию, осаждение плёнок, травление и металлизацию. Ключевое оборудование для литографии выпускает нидерландская компания ASML; экстремальный ультрафиолет (EUV) применяется для норм 7 нм и тоньше.

Крупнейшими контрактными производителями чипов являются TSMC (Тайвань), Samsung (Республика Корея) и GlobalFoundries; свои фабрики имеют Intel, AMD, NVIDIA, Qualcomm, MediaTek, «Микрон» (Россия) и другие компании. В России действуют предприятия «Ангстрем-М» (Зеленоград) и «Микрон» (Саратов), специализирующиеся на производстве микросхем, однако по уровню норм техпроцесса отстают от мировых лидеров.

¶Применение

Чипы применяются практически во всех областях техники:

• Вычислительная техника — процессоры, память, контроллеры в компьютерах, серверах, смартфонах;
• Автомобильная промышленность — блоки управления двигателем, системы помощи водителю, электронные блоки;
• Промышленная автоматизация — микроконтроллеры, датчики, приводы;
• Медицинская техника — имплантируемые устройства, аппараты МРТ, кардиостимуляторы;
• Телекоммуникации — базовые станции, маршрутизаторы, чипы связи 5G;
• Бытовая электроника — стиральные машины, холодильники, освещение;
• Космос и оборона — специализированные чипы с повышенной надёжностью и радиационной стойкостью.

¶Экономическое значение

Мировой рынок полупроводников в 2023 году оценивался примерно в 520–550 млрд долларов. Чипы являются стратегическим товаром: зависимость от поставок полупроводников стала предметом промышленной политики США, ЕС, Китая, Японии и других стран, включая Россию, которая реализует программы импортозамещения в микроэлектронике.

¶Интересные факты

• Современный процессор для смартфона содержит более 10 млрд транзисторов, каждый из которых измеряется единицами нанометров.
• Стоимость строительства современной полупроводниковой фабрики («фаба») превышает 10 млрд долларов.
• Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре, что делает его практически неисчерпаемым сырьём для производства чипов.

Источники:

• Килби Дж. «Изобретение микросхемы» (The Silicon Revolution), 2000
• Мэйоу Р. «Транзистор: от кристалла к чипу» (The Transistor: A Short History of the World's Most Important Invention), 2009
• Шапиро Дж. «Суперконденсаторы и микросхемы: как работает современная электроника»
• Справочник «Микроэлектроника: компоненты, устройства, системы»
• Данные отраслевых отчётов World Semiconductor Trade Statistics (WSTS)