مدار مجتمع (IC)

آیا می‌دانستید که در دهه 40 کامپیوتری به نام اِنیاک[1] وجود داشت؟ طول و وزن این کامپیوتر به اندازه سه تا چهار اتوبوس دوطبقه بود و در این کامپیوتر، 18000 سویچ الکتریکی صدادار به نام لامپ خلأ به کار رفته بود. اما با وجود جثه ی بزرگی که داشت از لحاظ قدرت و عملکرد، هزاران برابر کمتر از لپ‌تاپ‌های امروزی بود.

در واقع میشه کوچک تر کردن هر چه بیشتر قطعات و در عین حال قدرتمندتر شدن آنها را به چیزی مثل جادو شبیه کرد. اختراع IC در سال 1958 این جادو را محقق ساخت. استفاده از این مدارها راهی ساده و کارآمد برای گنجاندن صدها، هزاران، میلیون‌ها یا حتی میلیاردها قطعه الکتریکی  روی تراشه‌های سیلیکونی است که تنها به اندازه یک ناخن هستند. در ادامه، به   ICها و عملکردشان نگاهی دقیق‌تر خواهیم انداخت. پس با شرکت سنابرق توان که یکی از فروشندگان اینورتر ایرانی می باشد، همراه باشید.

 

مدار مجتمع چیست؟

اگر یک تلویزیون یا رادیو را باز کنیم، می‌بینیم که این وسایل حول یک برد مدار چاپی (PCB)[2] ساخته شده‌اند، که کمی شبیه به یک نقشه شهر الکترونیک است که قطعات الکترونیک کوچک (مانند مقاومت‌ و خازن) ساختمان‌ها‌ و اتصالات چاپی‌ مسی خیابان‌های فلزی مینیاتوری هستند که بین ساختمان‌ها کشیده شده‌اند. این بردها برای وسایل کوچکی مانند  تلویزیون و رادیو مناسب هستند، اما اگر از همین روش برای ساخت دستگاه‌های الکتریکی پیشرفته‌ای مانند کامپیوتر استفاده کنیم، خیلی زود به بن‌بست می‌رسیم. حتی ساده‌ترین کامپیوترها هم برای ذخیره‌کردن یک بایت (کاراکتر) اطلاعات به هشت سویچ الکتریکی نیاز دارند. اگر سویچ‌هایی که به کار می‌بریم، مانند سویچ‌های اِنیاک، لامپ‌های خلأ به اندازه شصت دست افراد بالغ باشند، خیلی زود به یک دستگاه عظیم‌الجثه با مصرف توان بسیار بالا می‌رسیم که برای راه‌اندازی‌اش به یک نیروگاه برق کوچک نیاز داریم.

در سال 1947 که سه فیزیکدان آمریکایی ترانزیستور را اختراع کردند، وضعیت تا اندازه‌ای بهبود یافت. ترانزیستور خیلی کوچکتر از لامپ‌ خلأ بود، و رله‌ ( یا سویچ‌ الکترومغناطیسی که در اواسط دهه 40 جایگزین لامپ خلأ شد) مصرف توان کمتر، و دوام بیشتری داشت. اما اتصال تعداد زیادی ترانزیستور در مدارهای مختلط همچنان دشوار بود. حتی پس از اختراع ترانزیستور هم کامپیوترها جعبه‌ای از سیم‌های در هم‌تنیده بودند.

مدارهای مجتمع همه چیز را تغییر دادند. ایده اصلی این بود که یک مدار کامل، با قطعات و اتصال زیاد بین قطعاتش، را به مداری میکروسکوپی تبدیل کنند که روی سطح یک قطعه سلیکونی پیاده می‌شد. این ایده بسیار هوشمندانه به ساخت تمام گجت‌های «میکروالکتریکی» منجر شد که امروز خیلی پیش پا افتاده به نظر می‌رسند و از ساعت‌های دیجیتال و ماشین حساب‌های جیبی گرفته تا موشک‌های فضایی اکتشاف ماه و موشک‌های جنگی مجهز به سیستم ردیاب ماهواره‌ای درون‌ساخت، را در بر می‌گیرند.

قانون مور[3]

در دهه‌های 60 و 70، IC ها، صنعت الکترونیک و محاسبات را دگرگون کردند. ابتدا مهندسان ده‌ها قطعه را روی تراشه‌هایی به نام مجتمع با تراکم کم (SSI)[4] قرار دادند. طولی نکشید که مدار مجتمع‌های با تراکم متوسط (MSI)[5] پدید آمدند که مجتمع‌سازی صدها قطعه در فضای یکسان را ممکن می‌ساختند. حدود سال 1970، چنانچه پیش‌بینی می‌شد، مدار مجتمع‌های با تراکم زیاد (LSI)[6] و مدار مجتمع‌های با تراکم خیلی زیاد (VLSI)[7] به بازار آمدند که، به ترتیب، هزاران و ده‌ها هزار قطعه را در خود جای می‌دادند. مدار مجتمع‌های با تراکم فوق‌العاده زیاد (ULSI)[8] هم میلیون‌ها قطعه را در خود جای می‌دادند، بی آنکه اندازه تراشه‌ها تغییر کنند. در سال 1965، گوردون مور از شرکت اینتل، که یکی از تراشه‌سازان پیشرو بود، متوجه شد که تقریباً هر یک تا دو سال تعداد قطعات روی تراشه دو برابر می‌شد.  این برآورد به قانون مور مشهور شد، و از آن زمان تاکنون صادق بوده است. مور در سال 2015، 50 سال پس از این برآورد، با نیویورک تایمز مصاحبه کرد، و اظهار شگفتی کرد که قانونش این همه سال پابرجا بوده است. او گفت، «پیش‌بینی خودم 10 سال بود  که فکر می‌کردم خیلی زیاد است. فکر می‌کردم در این 10 سال تعداد قطعات مدار مجتمع هزار برابر می‌شد، و از 60 عدد به 60000 عدد می‌رسید. این رقم به نظرم خیره‌کننده بود. واقعاً حیرت‌انگیز است  که این روند 50 سال ادامه داشته است ».

قانون مور در 50 سال

جدول- قانون مور: در پنجاه سال گذشته، تعداد ترانزیستورهای روی تراشه هر یک یا دو سال تقریباً دو برابر شده است، یا به عبارتی رشد تصاعدی داشته است. اگر نمودار تعداد ترانزیستورها (محور y) بر حسب سال‌ را در بازه پنجاه ساله (محور x) رسم کنیم، یک منحنی تصاعدی خواهیم داشت. نمودار لوگاریتمی هم یک خط راست خواهد بود. لازم به ذکر است که محور عمودی (y) لگاریتمی است (چرا که از نرم‌افزار ترسیم نمودار OpenOffice استفاده کرده‌ایم، و محور افقی (x) چندان مستقیم نیست. داده‌های مورد نیاز برای رسم نمودار را از صفحه Transistor Count ویکی‌پدیا به دست آورده و با منابع دیگر مقایسه کردیم.

نحوه ساخت IC

چگونه برای کامپیوتر چیزی مانند تراشه حافظه یا پردازنده بسازیم؟ قبل از هر چیز، به یک ماده شیمیایی خام مانند سلیکون نیاز داریم، که خواصش را با گرمادهی یا دوپینگ شیمیایی تغییر داده باشیم.

دوپینگ نیمه‌رسانا

از دیرباز، مردم مواد را در دو گروه کلی رسانا و عایق‌‌ قرار می‌دادند، که گروه اول هدایت آسان الکتریسیته را ممکن می‌سازد، و گروه دوم نارسانا است. بیشتر رساناها فلز هستند، اما مواد غیرفلزی مانند پلاستیک، چوب و شیشه عایق هستند. در حقیقت، به خصوص در مورد عناصر میانی جدول تناوبی (گروه‌های 14 و 15)، مانند سلیکون و ژرمانیوم، هیچ چیز به این سادگی نیست. در فرآیندی به نام دوپینگ، به این عناصر که معمولاً عایق هستند ، اندکی ناخالصی اضافه می‌کنند تا خواص رسانا پیدا کنند. آنتیموان (antimony) تعداد الکترون‌های سلیکون معمولی را افزایش می‌دهد و به آن خاصیت رسانا می‌دهد. به سلیکونی که به این روش تقویت شده باشد نوع n می‌گویند. با افزودن بورون به جای آنتیموان، برخی از الکترون‌های سلیکون حذف می‌شوند و «حفره‌هایی» را بر جای می‌گذارند که مانند «الکترون منفی» حامل جریان الکتریکی مثبت در جهت معکوس هستند. این نوع سلیکون را نوع p می‌نامند. قرارگرفتن سلیکون نوع n و نوع p در کنار هم اتصالاتی را شکل می‌دهد که الکترون‌هایشان رفتار جالبی دارند. قطعات الکتریکی مبتنی بر مواد نیمه‌رسانا مانند دیود، ترانزیستور و حافظه‌ به این شکل تولید می‌شوند.

داخل دستگاه تراشه

تصویر- ویفر سلیکونی. با مجوز نشر از مرکز تحقیقاتی گلن ناسا (NASA-GRC).

فرآیند ساخت مدار مجتمع با تک‌بلور سلیکونی شروع می‌شود، که شبیه یک لوله محکم بلند است، که «مانند کالباس سالامی» به ویفرها یا دیسک‌های نازکی (به ابعاد دیسک‌های فشرده) برش می‌خورند. ویفرها به مربع یا مستطیل‌های هم‌اندازه بسیاری تقسیم می‌شوند، که هر کدام یک تراشه سلیکونی است (که گاه ریزتراشه نام می‌گیرد).  سپس بخش‌های مختلف سطح تراشه را با دوپینگ به سلیکون نوع n یا نوع p تبدیل می‌کنند. در نتیجه این فرآیند هزاران، میلیون‌ها یا میلیاردها قطعه به وجود می‌آید. فرآیند دوپینگ انواع متفاوتی دارد که در یکی از آنها، به نام کندوپاشی (sputtering)، یون‌های ماده دوپینگ، به سمت سطح ویفر سلیکون شلیک می شوند، و حفره‌هایی مانند اثر فشنگ ایجاد می‌کنند. رسوب‌دهی بخار (vapor deposition) یک نوع دیگر دوپینگ است که در آن ماده دوپینگ در ابتدا گازی شکل است، و سپس چگالیده می‌شود. اتم‌های ناخالص حاصل از چگالش به صورت لایه‌ای نازک روی سطح ویفر سلیکون را می‌پوشانند. رونشینی پرتو مولکولی (Molecular beam epitaxy) یک روش رسوب‌دهی به مراتب دقیق‌تر است.

البته، ساخت IC هایی که صدها، میلیون‌ها یا میلیاردها قطعه را روی یک تراشه سلیکونی به ابعاد یک ناخن بگنجانند کمی پیچیده‌تر و دشوارتر از این است. حتی یک ذره گرد و غبار هم می‌تواند آشوب فراوانی در فرآیند ساخت تراشه‌‌های میکروسکوپی (یا حتی نانو)  ایجاد کند. به همین دلیل، نیمه‌رساناها را در فضاهای آزمایشگاهی عاری از هر نوع آلودگی به نام اتاق تمیز تولید می‌کنند که هوا با دقت زیاد فیلتر می‌شود، و کارگران برای واردشدن و خارج‌شدن از آن باید تمام پوشش‌های محافظ را به تن داشته باشند.   

روش ساخت ریزتراشه

فرآیند ساخت تراشه بسیار پیچیده و دشوار است، اما تنها شش مرحله دارد، که برخی از آنها چند بار تکرار می‌شوند. شکل بسیار ساده فرآیند تولید به صورت زیر است.

1- ساخت ویفر: کریستال‌های سلیکونی خالص را به استوانه‌های بلند تبدیل کرده، و (مانند کالباس سالامی) به ویفرهای نازکی تقسیم می‌کنند. در نهایت، هر یک از این ویفرها به تراشه‌های بسیاری تقسیم می‌شوند.

2- پوشش‌دهی: در این مرحله، ویفرها را با دی‌اکسید سلیکون حرارت داده، و از نور فرابنفش (آبی) استفاده می‌کنند تا یک رویه سخت مقاوم در برابر نور به نام فوتورزیست ایجاد کنند.

3- حکاکی:با استفاده از مواد شیمیایی بخش‌هایی از فوتورزیست را بر می‌دارند، و یک نوع طرح نمونه ایجاد می‌کنند که نواحی سلیکونی نوع n و نوع p را نشان می‌دهد.

4- دوپینگ: برای ایجاد مناطق نوع n و p، ویفرهای حکاکی‌شده را با استفاده از گازهای ناخالص حرارت می‌دهند. ممکن است پس از از این فرآیند نیاز به پوشش‌دهی و حکاکی مجدد باشد.

5- آزمایش: سیم‌های فلزی بلندی را از یک دستگاه آزمایش کنترل‌شده توسط کامپیوتر، به ترمینال‌های تراشه‌ها وصل می‌کنند. تراشه‌های معیوب را علامت زده و برگشت می‌زنند.

6- بسته‌بندی: تمام تراشه‌های سالم را از ویفر جدا می‌کنند و در بسته‌های پلاستیکی خلأ قرار می‌دهند. این تراشه‌ها آماده استفاده در کامپیوترها و تجهیزات الکترونیک دیگر هستند.

مخترع IC چه کسی بود؟

شاید در کتاب‌ها خوانده باشید که ICها را جک کیلبی[11] (2005- 1923) و رابرت نویس[12] (1990- 1927) اختراع کردند، گویا که دو همکار بودند که در تجربه‌ای رضایت‌بخش قطعه‌ای خارق‌العاده را اختراع کردند. در حقیقت، کیلبی و نویس تقریباً در یک زمان به این ایده رسیدند، و برای گرفتن حق اختراع نبردی سخت داشتند، که هر چه بود شاد نبود.

چگونه امکان دارد که دو فرد دقیقاً یک چیز را در یک زمان اختراع کنند. ساده است. ایده مدار مجتمع خیلی دور از ذهن نبود. تا اواسط دهه 50، جهان (و به ویژه ارتش) به قابلیت شگفت‌انگیز کامپیوترهای الکترونیک پی برده بود، و برای ژرف‌اندیشانی مانند کیلبی و نویس کاملاً بدیهی بود که باید راه بهتری برای ساخت و اتصال تعداد زیادی از ترانزیستورها وجود داشته باشد. ایده کیلبی به نام اصل یکپارچگی[13] زمانی شکل گرفت که در شرکت Texas Instruments مشغول کار بود. او سعی داشت تمام بخش‌های مدار الکترونیک را روی یک تراشه سلیکونی قرار دهد. در 12 سپتامبر 1958، او موفق به ساخت اولین IC خام  دست‌ساز با استفاده از تراشه ژرمانیوم شد (که یک عنصر نیمه‌رسانای مشابه سلیکون است). سال بعد، Texas Instruments متقاضی دریافت امتیاز اختراع شد.

همزمان، رابرت نویس، که نبوغش به اندازه کیلبی بود، در شرکت دیگری به نام Fairchild Semiconductor به تنهایی در حال آزمایش مدارهای مینیاتوری بود که خودش می‌ساخت (شرکت مذکور را گروهی از افرادی تأسیس کرده بودند که اولین بار در شرکت ترانزیستوری پیشرو ویلیام شاکلی مشغول به کار شدند). در سال 1959، او با استفاده از یک سری روش‌های فوتوگرافیک و شیمیایی به نام فرآیند تخت[14] (که یکی از همکارانش به نام جین هورنی[15] تعریف کرده بود) اولین مدار مجتمع کاربردی را ساخت. شرکت فِیرچایلد سعی کرد برای روش او امتیاز بگیرد.

اثر هنری: شگفت‌انگیز است. در سال 1959،  دو مهندس الکترونیک توانمند، به نام‌های جک کیلبی و رابرت نویس، تقریباً در یک زمان به یک ایده واحد رسیدند. کیلبی زودتر از نویس درخواست حق اختراع کرده بود، اما امتیاز نویس زودتر ثبت شد. در تصویر طرح درخواست‌های اصلی را مشاهده می‌کنید. می‌توان دید که ایده‌های این دو فرد اساساً یکسان هستند، و قطعات الکتریکی از اتصال لایه‌های نیمه‌رسانای نوع p (آبی) و نوع n (قرمز) به وجود آمده‌اند. اتصال مناطق نوع p و نوع n را با نارنجی و زرد و لایه‌های پایه (زیرلایه‌ها) را با رنگ سبز نشان داده‌ایم. با مجوز نشر تصویر از اداره ثبت اختراعات و علائم تجاری، و افزودن رنگ برای افزایش شفافیت و برجسته‌کردن شباهت‌ها. می‌توانید با استفاده از مراجع زیر به خود امتیازات دسترسی یابید.

بین کارهای این دو فرد شباهت بسیاری وجود داشت، و Texas Instruments و Fairchild Semiconductor بیشتر دهه 60 را در دادگاه مشغول ثبت مخترع اصلی مدار مجتمع بودند. در نهایت، در سال 1969، این دو شرکت توافق کردند تا امتیاز این ایده را با یکدیگر شریک شوند.

   بدین ترتیب، کیلبی و نویس حق اختراع چیزی را به دست آوردند که مهم‌ترین و کاربردی‌ترین فن‌آوری قرن بیستم به حساب می‌آید. این دو مخترع، به ترتیب، در سال 1982 و 1983، به تالار افتخار مخترعان ملی[16] راه یافتند. در سال 2000، کیلبی جایزه نوبل اشتراکی را هم به دست آورد (و در سخنرانی دریافت جایزه با سخاوتمندی از نویس هم یاد کرد که اگر ده سال پیش در اثر سکته قلبی از دنیا نرفته بود جایزه را با او سهیم می‌شد).

 

مطلب پیشنهادی: تعمیر درایو( موتور الکتریکی)

 

از کیلبی به عنوان دانشمند برجسته یاد می‌کنند، اما میراث او یک بعد دیگر هم دارد. او، در سال 1968، شرکت Intel Electronics را با گوردون مور[17] (ــ 1929) تأسیس کرد. این شرکت در سال 1974 میکروپروسسور را تولید کرد (که یک کامپیوتر یک‌تراشه‌ای است). اینتل هم مانند IBM، مایکروسافت، اَپل، و دیگر شرکت‌های پیشتاز، در ساخت کامپیوترهای شخصی مقرون به صرفه خانگی و اداری سهیم بوده است. به برکت وجود نویس و کیلبی، و مهندسان برجسته‌ای که ایده آنها را مبنای کارشان قرار دادند، هم‌اکنون چیزی حدود 2 میلیارد کامپیوتر فعال در سراسر جهان وجود دارد، که بسیاری از آنها در تلفن‌های همراه، ابزارهای قابل حمل ناوبری ماهواره‌ای و دیگر گجت‌های الکترونیک به کار رفته‌اند.    

---

[1] ENIAC

[2] Printed circuit board

[3] Moore’s Law

[4] Small-Scale Integration

[5] Medium-Scale Integration

[6] Large-Scale Integration

[7] Very-Large-Scale Integration

[8] Ultra Large Scale Integration

[9] Chandler, Arizona, USA

[10] Carol M. Highsmith Archive, Library of Congress, Prints and Photographs Division.

[11] Jack Kilby

[12] Robert Noyce

[13] Monolithic principle

[14] Planar process

[15] Jean Hoerni

[16] National Inventors Hall of Fame

[17] Gordon Moore