Circuiti elettronici integratia elevata densità

Negli ultimi cinque anni le dimensioni dei circuiti elettronici sonodiminuite di circa un fattore 10. E attualmente possibile montare in uncircuito non più grande di un centimetro quadrato più di 1500 transistori

I; elettronica è senza dubbio latecnologia che ha tratto maggiorimpulso dall'epoca industriale.

Da quando nel 1948 fece la sua primaapparizione il transistore, che a quel-l'epoca aveva meravigliato per la suacompattezza rispetto alle valvole a vuo-to, le dimensioni delle apparecchiatu-re elettroniche si sono ridotte, ogni cin-que anni, di almeno un fattore 10.Questo vuol dire che dal 1948 al 1970si è avuta una riduzione di un fattore100 000. Quando dieci anni fa si in-cominciò a parlare di microelettronica,uno strato di silicio di circa 1 cm2 po-teva contenere 15 o 30 transistori, piùalcuni diodi, condensatori e resistenze.Oggi uno strato delle stesse dimensio-ni può contenere più di 1500 compo-nenti elettronici diversi; per esempioquello che è illustrato nella microfo-tografia a pagina 49, misura 2,75 x 3,5mm e contiene 1244 transistori, 1170resistori e 71 diodi.

La tecnologia che si interessa di que-sti circuiti elettronici contenenti mol-ti componenti in un piccolo spazio èchiamata integrazione a elevata densi-tà o LSI (Large-Scale Integration). Perquanto il nome non dia una precisa de-finizione. esso viene normalmente ri-servato a quei circuiti integrati che pre-sentano 100 o più « porte », o fun-zioni circuitali individuali, con unadensità variabile tra 8000 e 16 000componenti per centimetro quadrato.Se sarà possibile raggiungere una den-sità per centimetro cubo pari al valoresuperiore ora riportato (risultato questoche si spera di conseguire nel prossimodecennio), la densità di componentielettronici risulterà pari a un quartodella densità delle cellule nervose nelcorpo umano.

La miniaturizzazione dei circuiti elet-tronici ha ricevuto il maggior impulsodal programma spaziale. Non appenaperò la microtecnologia si è sviluppa-

di F.G. Heath

ta, è stata prontamente sfruttata neicalcolatori elettronici commerciali, conil risultato che l'unità operativa cen-trale dei calcolatori dell'attuale gene-razione è il più delle volte più piccoladelle unità periferiche di ingresso e diuscita che collegano tali unità con l'e-sterno. É molto probabile che i circui-ti microelettronici, compresi quindi icircuiti LSI, vengano presto sfruttatianche in apparecchiature di uso quoti-diano, per la casa, l'ufficio, la scuola esulle strade. L'interesse per i circuitiminiaturizzati, nella maggior parte del-le applicazioni ora elencate, non vatanto ricercato nelle loro piccole di-mensioni, ma piuttosto nel loro bassocosto e nella loro alta affidabilità d'im-piego. Infatti, poiché la tecnologia deicircuiti integrati sfrutta per la creazio-ne dei transistori e degli altri compo-nenti circuitali dei metodi ottici e foto-litografici, il costo viene a dipenderedirettamente dal numero di processiche si devono eseguire e molto forte-mente dalla densità delle immagini pro-dotte. A parità di produzione, viene acostare poco meno o addirittura lastessa cifra fabbricare su strati grandiquanto un francobollo, 100 000 transi-stori oppure 100 o 1000.

Fino all'avvento dei transistori, cia-scun componente di un circuito e-

lettronico era costituito da uno o piùmateriali con caratteristiche elettricheadatte al loro impiego. Il carbone peresempio veniva impiegato per i resi-stori, la ceramica come dielettrico neicondensatori, il tungsteno per il cato-do nelle valvole a vuoto, eccetera. Que-sti componenti, con caratteristiche defi-nite dalla loro composizione e costru-zione, erano usati come pezzi singoliper costruire un circuito di caratteri-stiche e risposte ben precise. I circuitivenivano combinati in modo da otte-nere sistemi più complessi, come per

esempio un trasmettitore o un ricevi-tore radio, una apparecchiatura radaro un calcolatore.

Fino dalla sua prima comparsa l'elet-tronica ha dimostrato di essere una tec-nologia che presenta interconnessionicomplesse. Una piccola apparecchiatu-ra radar può presentare tante connes-sioni quante ne possiede una raffineria,con la differenza che una raffineria puòcostare diversi miliardi di lire e richie-dere una grossa squadra di tecnici sem-pre presenti per la sua manutenzione eil suo funzionamento, mentre un'appa-recchiatura radar, costa circa un mi-lione e si può pensare che funzioni consicurezza per settimane e anche più.Quando poi deve essere riparata, il la-voro può essere eseguito da un solotecnico, non necessariamente espertis-simo dell'apparecchiatura. La comples-sità e l'intrinseca affidabilità dell'elet-tronica deve essere considerata comegarantita.

Il più grande vantaggio dei transi-stori, vantaggio inizialmente poco ap-prezzato, fu determinato dal fatto chesi poté fare a meno dei diversi mate-riali (carbone, ceramica, tungsteno ecc.)tradizionalmente usati nella fabbrica-zione dei singoli componenti. Allo stes-so tempo però il transistore aumentòla complessità di queste interconnessio-ni nelle apparecchiature di nuova pro-gettazione.

All'inizio il transistore non fu ingrado di cambiare le condizioni di in-terconnessione dei singoli componenti,ma fu la sua tecnica costruttiva cheportò seri mutamenti in questo campo.Il transistore fu il primo componenteelettronico nel quale materiali con ca-ratteristiche elettriche diverse non ri-sultavano connessi tra loro, ma fisica-mente congiunti in un'unica struttura.Il materiale più usato per costruire itransistori divenne ben presto il silicio:esso era prodotto in monocristalli di

47

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Circuito di memoria di un calcolatore. Questo circuito, checontiene 1244 transistori, 1170 resistori e 71 diodi, è un esem-pio di integrazione a elevata densità (LSI). Questa denomina-zione viene normalmente riservata a quei circuiti integrati lacui densità è di 10 000 o più elementi per cm 2. Questa unità,fabbricata dalla Fairchild, presenta una densità di elementi su•periore a 25 000 unità per cm 2. Le sue dimensioni reali sono

2,8 X 3,5 mm. Il circuito permette di memorizzare 256 unità diinformazione e con altre unità simili costituirà l'unità di memo-ria ultrarapida per il calcolatore Illiac 4, attualmente in fase disviluppo all'Università dell'Illinois. Questo circuito permette unaccesso molto più rapido di quello consentito dalle memorieveloci di tipo convenzionale che sono costituite da piccolianelli ceramici attraversati da un reticolo di sottilissimi fili.

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La RCA ha recentemente sviluppato, per la National Aeronautics and Space Admini-stration, un calcolatore su un sottile strato di silicio. Questo strato di silicio, avente ledimensioni di 3,7 X 3,9 mm, comprende 780 transistori e diodi MOS (con una densitàdi 5400 elementi per cm2) collegati tra loro in modo da formare 400 « porte ». Questocircuito può eseguire tutte le funzioni matematiche di un calcolatore di media gran-dezza e media velocità. Quattro circuiti di questo tipo possono costituire un calcola-tore capace di recepire « parole » aventi una lunghezza di 16 unità di informazione.

Right scale integration o RSI e la denominaz'one da a presso i Bell Telephone La.boratories a una tecnologia che permette il mescolan ento di circuiti di vario tipo, bi-polari e MOS, ognuno con un certo grado di sviluppo. In questa fotografia è rappre-sentato un insieme di 64 circuiti bipolari, ognuno di 1,2 X 1,6 mm, montati su unsupporto ceramico e collegati assieme per costituire un grosso sistema di memoria.I 64 circuiti, raggruppati su una superfice di 15 X 19 mm, contengono 40 960 transi-stori, diodi e resistori, con una densità che risulta essere di 14 000 elementi per cm2.

forma cilindrica che venivano tagliatiin sottili dischi. Con opportune tecni-che di mascheratura e di « drogaggio »,che alteravano selettivamente il com-portamento elettrico di piccole zone, sicostruivano alcune decine di transisto-ri su ciascun dischetto. I singoli tran-sistori erano poi tagliati e incapsulatiin un involucro avente le dimensionidi un gommino da matita. Rimanevatuttavia il problema di inserire i sin-goli transistori e i diodi nel circuito.

4. ingegneri incaricati di costruire icalcolatori compirono un primo

passo verso la semplificazione dei pro-getti e la riduzione del numero delleinterconnessioni, quando incominciaro-no a realizzare una serie di circuiti mo-dulari standardizzati, ognuno capacedi compiere determinate e specifichefunzioni, e li impiegarono come blocchicostruttivi logici nei loro progetti. Iltransistore essendo molto più piccolodi una valvola a vuoto, poté essere fa-cilmente montato, con resistenze e ca-pacità aventi circa le sue stesse dimen-sioni, su piccoli basamenti di materia-le isolante. Queste « cartoline » modu-lari, aventi proprio le dimensioni diuna cartolina postale, potevano essereassociate in numero e tipo diversi a se-conda delle necessità.

A causa della crescente complessitàdei progetti il problema delle intercon-nessioni era più che mai presente. Nel-le piccole apparecchiature, i progetti-sti potevano posizionare i singoli com-ponenti liberamente, preoccupandosisoltanto di evitare le interferenze elet-tromagnetiche causate da determinaticomponenti, quali per esempio i tra-sformatori. Nei nuovi progetti di mag-giori dimensioni, la realizzazione di re-ti di connessione complesse divennemolto costosa, ma il fatto più impor-tante fu che l'aumentata velocità difunzionamento, resa possibile dai tran-sistori, era in realtà superiore alla ve-locità con la quale i segnali potevanoviaggiare lungo i fili di interconnessio-ne. Era come tentare di guidare unaveloce auto sportiva a 200 chilometriall'ora dietro a una lunga coda di autoche si muove a 60 all'ora. Ovviamen-te quanto più corta è la coda tanto piùfacilmente essa è superabile e con piùfacilità ci si pone in testa. La stessacosa si presenta in elettronica. Tenendoi cavi di connessione più corti possibi-le, si può aumentare la velocità di fun-zionamento.

Man mano che la tecnologia dei tran-sistori si sviluppava e la velocità di ri-sposta del circuito aumentava, risulta-va sempre più importante diminuire ladimensione dei componenti e la lun-ghezza delle connessioni. Il limite fisi-

4849

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,4 il li - I

co nella ricerca dello spazio per leconnessioni in un'area minore, si stavaavvicinando sempre di più. Questa li-mitazione, associata all'aumentata com-plessità dei progetti, rese indispensabi-le la ricerca di una nuova tecnologia.

La tecnologia che si sviluppò fu lamicroelettronica, che trovò la sua

espressione completa nei circuiti inte-grati. Incominciando dal 1950 i pro-gettisti di due compagnie americane,la Texas Instruments e la Fairchild Se-miconductors, indicarono la possibilitàdi produrre, servendosi di un sottilestrato di silicio, non soltanto transisto-ri e diodi, ma anche resistori e con-densatori, collegati fra loro in un cir-cuito completo. Le proprietà specificherichieste per i diversi elementi circuitalifurono ottenute diffondendo selettiva-mente tracce di impurità nel silicio oossidando lo stesso silicio con biossidodi silicio. Per esporre particolari zonedel silicio alla diffusione e per pro-teggere contemporaneamente le zoneadiacenti si sfruttarono i principi dellafotolitografia (si vedano le figure in altoalle pagine 52 e 53).

Inizialmente alla Texas Instrumentssi impiegarono dei sottili fili per legarei vari elementi in un circuito funzio-nale. La Fairchild ottenne lo stesso ri-sultato più semplicemente, evaporandoun sottile film di alluminio sopra glielementi circuitali e attaccandolo selet-tivamente: si dava cosí origine a unadisposizione circuitale bidimensionale.La tecnica della Fairchild portò a quel-lo che è noto con il nome di circuitointegrato planare.

Circuito logico di un calcolatore. In que-ste fotografie sono rappresentati i tre suc.cessivi stadi di fabbricazione. Ogni circui-to contiene 112 celle o « porte » logicheidentiche fra loro, costituite da tre tran-sistori e da quattro resistori. Il circuitocompleto, avente un'area di 3,32 x 3,55mm, contiene 784 elementi, presenta unadensità di circa 6700 elementi per cm'. I112 circuiti di « porta » che si vedono inciascuna fotografia costituiscono solo unaunità delle 100 costruite su un unico stra-to di silicio. Le tre fotografie mostranotre stadi successivi di metallizzazione. Laprima metallizzazione (in alto) permetteil collegamento dei transistori e dei resi.stori di ogni singola porta; la seconda (alcentro) permette le interconnessioni frale diverse porte, la terza (in basso) dà ori-gine ai contatti per le alimentazioni. Leinterconnessioni possono essere dispostein molti modi al fine di soddisfare le di.verse esigenze. Il circuito viene costruitodalla Motorola. Analogamente al circuitorappresentato nella figura precedente que.sto circuito impiega la tecnologia « bipola-re ». I più recenti metodi a metallo-ossido--semiconduttore (MOS) permettono unadensità di elementi circuitali più elevata.Le due tecniche di costruzione vengonoparagonate fra loro nelle pagine 52 e 53.

I circuiti integrati standard incorpo-rano un numero di circuiti logici iden-tici compreso tra 100 e 500, su ununico strato di silicio avente una su-perficie di circa 6 cm2. Questi circuitivengono poi tagliati in unità indivi-duali ognuna delle quali viene saldatain un contenitore che presenta sul suocontorno da 6 a 24 piccole connessioniper i collegamenti del circuito con glistadi esterni, cioè con altri punti dicentinaia o migliaia di circuiti simili,richiesti per la formazione di un siste-ma completo di analisi di segnali.

L'idea di impiegare unità « logiche »quali elementi costituenti del circuitodi un calcolatore, ha origini molto lon-tane e deve attribuirsi a George Boole,che dimostrò, ancora nel 1854, chequalsiasi processo matematico e logicopuò essere sintetizzato per mezzo di unsistema binario, che impiega solo treoperatori, « and » (e), « or » (o) e« not » (non). (Boole sarebbe spaven-tato per questa semplificazione e affa-scinato da quanto i progettisti di cal-colatori hanno ottenuto sulla base del-le sue idee). Il nucleo centrale di uncalcolatore impiega diverse migliaia diquesti operatori logici, realizzati concircuiti detti di « porta ». La teoria ge-nerale del funzionamento di un nu-mero superiore a 6 di questi circuitidi porta collegati fra loro, è al di làdella comprensione umana.

Data l'impossibilità di formularequesta teoria, i progettisti di calcolato-ri devono lavorare basandosi su con-cetti semplificati che permettano lorodi capire e quindi di maneggiare an-che grossi insiemi di elementi logici.Un metodo consiste nell'organizzare leoperazioni del calcolatore in « regi-stri » nei quali le informazioni binariesono rappresentative di una certa quan-tità numerica. Organizzati in struttureregolari, questi registri, con le loroconnessioni, individuano il passaggiodei dati. L'esempio limite è rappresen-tato dalla memoria del calcolatore co-stituita da un insieme verticale di re-gistri tutti identici. I dati vengono fattipassare da un registro all'altro, da unaserie di segnali temporizzatori. La som-ma totale di tali segnali definisce il mi-croprogramma del calcolatore. t essen-zialmente il microprogramma, con lesue proprietà di tipo quasi casuale checomplica le interconnessioni di un cal-colatore di grandi dimensioni. Quantopiù modulare si rende la costruzionefisica di un calcolatore, tanto più fa-cilmente si realizzerà un sistema sod-disfacente. L'uso dei circuiti integratistandard ha semplificato la progetta-zione e i problemi di interconnessionea basso livello; rimangono tuttavia deidifficili problemi ad alto livello.

su questo punto minuscolo si può risolvere unproblema infinitamente grande

Diodi, transistori, circuiti integratie, domani, circuiti molecolari...Sempre all'avanguardia della tecnologiacon i Semiconduttori Motorola.

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Q

MOTOROL A

Semiconduttori

1 OSSIDAZIONE 2a MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO2b DIFFUSIONE DI TIPO N+

3 FORMAZIONE DI UNO STRATOEPITASSIALE DI TIPO N

5a MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO5b DIFFUSIONE DI TIPO P+

6 OSSIDAZIONE

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4 OSSIDAZIONE

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DISCO Di SILICIO DI TIPO P PURO P P

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7a MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO Ba MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO7h DIFFUSIONE DI TIPO N +

8b DIFFUSIONE DI TIPO P

9a MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO9b DIFFUSIONE DI TIPO N-

10 MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO 11 METALLIZZAZIONE 12 MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO

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I più recenti tipi di circuiti integrati sfruttano la tecnologiaMOS (metallo .ossido-semiconduttore). Questo sistema permettela fabbricazione di circuiti con una densità di transistori per uni-tà di area da 5 a 10 volte maggiore delle densità ottenibili conle tecnologie bipolari. Il processo di lavorazione inizia conl'ossidazione di un disco di silicio di tipo n (1). Le apertureche ospiteranno la « sorgente » e il e canale » di un transistore aeffetto di campo sono ottenute con il sistema della fotoincisione

(2a) e vengono successivamente esposte a una diffusione di tipop (2b). Si provvede poi (3) alla rimozione dello strato ossidatopresente nella regione nella quale verrà collocato il contatto di« porta » e si rigenera sull'intera superficie un nuovo strato diossido (4). Per rendere stabile questo strato ossidato si depositaun sottile strato di vetro fosforoso (5) sul quale si praticano dueaperture, con il sistema della fotoincisione, per poter stabilireun contatto con la sorgente e canale (6). L'intera super.

I circuiti integrati convenzionali vengono costruiti con la tec.nica bipolare, mediante la quale i transistori vengono formatisu regioni di tipo n (negative) e regioni di tipo p (positive).Nelle regioni n i portatori di carica sono gli elettroni liberi;nelle regioni p i portatori di carica sono le « vacanze » che pre.sentano carica positiva. Il processo di fabbricazione viene ini-ziato su un disco di silicio contenente impurità di tipo p. Me.diante un processo di ossidazione, si forma un sottile strato dibiossido di silicio (1).. La successiva operazione, la fotoincisione

(2a), deve essere considerata fondamentale per l'intero processo.Come in una fotolitografia, il disco viene ricoperto con un mate-riale che altera le proprie caratteristiche in seguito all'esposizio-ne luminosa. Una maschera estremamente accurata, prodotta conottiche di altissima precisione, viene collocata fra la sorgente diluce e il disco di silicio. Nelle zone che non sono state espostealla luce, il materiale resistente viene eliminato e lo strato sot-tostante di biossido di silicio viene rimosso mediante attaccochimico. Il disco viene successivamente collocato in atmosfera

controllata, in modo che nello strato fondamentale di tipo ppossano diffondere delle impurità di tipo n + (2b). Successiva.mente lo strato di biossido di silicio viene rimosso dall'interasuperficie del disco e uno strato epitassiale di tipo n viene fattocrescere sulla superficie (3). Epitassiale significa che il siliciodepositato riproduce la struttura cristallina senza che si mani-festi alcuna interruzione rispetto alla struttura sottostante. Lasuperficie viene nuovamente ossidata (4), attaccata (5a) ed espo-sta a una diffusione di tipo p (5b). Questa operazione è seguita

da una nuova ossidazione (6), da un attacco (7a) e da una da-fusione di tipo n* (7b). Dopo l'ossidazione (non rappresentata)la superficie viene nuovamente attaccata (8a) ed esposta a unadiffusione di tipo p (8b). Dopo una ulteriore ossidazione e at-tacco (9a) si opera un'ultima diffusione di tipo n + (919). Ilsuccessivo attacco (10) produce le necessarie aperture per lostrato di alluminio (11) impiegato per stabilire i contatti con leregioni p e n' del transistore. Un attacco finale permette di ot-tenere sulla superficie (12) i contatti per i collegamenti esterni.

Se per esempio si vuole progettare laparte centrale di un calcolatore con1000 elementi logici, si deve incomin-ciare selezionando 200 serie di circuitiintegrati, ognuno contenente in media5 circuiti di porta del tipo desiderato.Per collegare poi fra loro le 200 seriepossono essere necessarie anche 6000

1 OSSIDAZIONE

02 02 02

1/

DISCO DI SILICIO DI TIPO N PURO

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connessioni. Poiché ogni connessionedeve essere piú corta possibile, si puòrisolvere il problema in due modi: pri-mo con un sistema di cablaggio mi-niaturizzato e, secondo, con un pro-gramma di calcolo capace di trasfor-mare il pensiero del progettista in unabuona disposizione con interconnessioni

2a MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO2b DIFFUSIONE DI TIPO P

semplici. I normali circuiti stampati suentrambi i lati, erano incapaci di sod-disfare queste richieste.

In pratica si risolse questo problemadisegnando dei circuiti stampati su piùstrati, su delle cartoline aventi un'areadi circa 1000 cm 2 ; su queste cartolinepotevano essere montati da 100 a 200

3 MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO

A AI I

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circuiti integrati. Ogni cartolina è co-perta da più lamine che presentano daambo i lati dei circuiti stampati, ognu-no dei quali è fabbricato con una ac-curatezza di circa due centesimi di mil-limetro. Si impiegano normalmente 12strati di fili intrecciati, posti su un iso-lante plastico rinforzato. Questa pre-

4 OSSIDAZIONE

02 o, 0,

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8 MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICO

N

fine viene poi alluminizzata (7) e su que-st'ultimo strato si pratica una fotoincisio-ne finale (8). Da notare che i transistoriprodotti con le nuove tecniche metallo..ossido-semiconduttore, come pure i tran-sistori di tipo bipolare, presentano carat-teristiche molto simili a quelle delle vec-chie valvole a vuoto (0 tubi elettronici).

cisa e rigida struttura tridimensionalesostituisce gli intrecci dei fili a nidod'uccello che si incontravano nei primicalcolatori. Dato che non è umana-mente pensabile stendere 6000 connes-sioni su una superficie di 1000 cm2 eprofonda 12 strati, si è cercato di ri-solvere questo problema con dei pro-grammi di calcolo. Questo ha compor-tato uno sforzo di programmazione im-menso e ha richiesto centinaia di mi-gliaia di parole di istruzione. Il risul-tato finale è stato che un elaboratorecentrale molto grande poteva essere co-struito con sole 60 cartoline a moltistrati, connesse fra loro da un numerodi connessioni esterne relativamentebasso. Queste strutture elettroniche adalta densità sono state provate con loaiuto di apparecchiature automatiche.

t evidente che non è stata necessa-ria una grande immaginazione percompiere il passo successivo: cioè l'in-tegrazione a elevata densità (LSI). Icostruttori di circuiti stampati eranogià in grado di produrre dei sottili stra-ti di circa 6 cm 2 contenenti alcune cen-tinaia di circuiti logici che potevanopoi essere tagliati e incapsulati indi-vidualmente. Perché non costruirequindi uno strato contenente alcunecentinaia di circuiti collegati fra loroe incapsularli tutti assieme?

Un ostacolo, e senza dubbio il mag-giore, era rappresentato dal fatto chequesto strato formato da molti circuitidoveva contenere delle « porte logi-

che » di tipo diverso e che tutte dove-vano funzionare perfettamente. Dopoavere costruito alcune centinaia di« porte » su di uno strato di silicio, es-se potevano essere provate una peruna e quelle difettose potevano esserescartate. Solo un 60 o 70 per centodella produzione poteva essere consi-derata buona.

Si trovò presto un modo per aggirarequesto ostacolo nell'integrazione a ele-vata densità: era sufficiente costruirepiù porte di quante non ne fossero ne-cessarie, identificare quelle difettose ecollegare solo quelle funzionanti conuna metallizzazione a molti strati. Icalcolatori vennero nuovamente chia-mati a supervisionare la prova e a trac-ciare le opportune interconnessioni perciascuno strato. Questa divenne anziuna procedura normale per collegarefra loro le porte in uno strato, in mo-do da soddisfare le speciali richieste deidiversi clienti. Come risultato si ebbe-ro degli LSI con collegamenti discre-zionali (si vedano le figure in basso

alle pagine 56 e 57). I costruttori ave-vano cosi ottenuto tre strati di metal-lizzazione. Quanto maggiore è il nume-ro di strati di connessione, tanto mag-giore è il numero di componenti chepossono essere collegati tra loro, e que-sto aumenta la produzione e riduce ilcosto. Attualmente si è in grado di pro-dune LSI nei quali si possono usaretutte le porte.

I circuiti difettosi, che riducono la

53

N

7 METALLIZZAZIONE5 FORMAZIONE DI UNO STRATO 6 MASCHERATURA E ATTACCO CHIMICODI VETRO FOSFOROSO

L'avvento dei transistori nel 1918 costituisce il punto di partenza dell'evoluzione dellamicroelettronica. In alto è rappresentato un transistore del 1952 (tutti gli elementirappresentati sono in scala 1:11. Lo stadio successivo (immediatamente sotto) ha per.messo la riunione di diversi transistori, diodi, resistori e capacità su un circuito stam•pato, che poteva essere inserito in un calcolatore o in un sistema di altro tipo. Lacartolina riportata in figura è del tipo impiegato nei calcolatori IBM della serie 7000,presentata sul mercato agli inizi degli anni sessanta. Tale circuito è costituito da 45elementi. I calcolatori IBM della serie 360 impiegano una tecnologia nota con il nomedi « circuiti logici allo stato solido » (in basso a sinistra); questi sono costituiti da40 elementi diversi racchiusi in sei piccoli involucri. I primi sviluppi dei circuiti inte•grati nei quali i transistori. i diodi, e i resistori venivano costruiti su un unico strato disilicio e congiunti su di esso in modo da costituire un circuito completo, si incontranoalla fine degli anni cinquanta. L'esempio riportato in basso nella parte centrale è statocostruito nel 1965 dalla Texas Instruments e contiene 91 transistori e resistori. L'esem.pio di LSI riportato a destra in basso, costruito dalla Fairchild, contiene 864 elementi.Questa unità, con modifiche, compare nelle figure in alto alle pagine 56 e 57.

produzione, sono tali a causa di im-perfezioni puntuali presenti nel cristal-lo semiconduttore; queste imperfezionisono casualmente distribuite sulla su-perficie dello strato di silicio. Si è inco-minciato ora a usare un nuovo tipo ditransistore — quello a effetto di campo— che ha delle proprietà migliori deitipi convenzionali, occupa un'area mi-nore sullo strato e di conseguenza èmeno interessato alle imperfezioni pun-tuali. Questo nuovo tipo di transistore,è ottenuto con la tecnica MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) (si veda la figu-ra in basso nelle due pagine precedenti).

La tecnica MOS permette di otteneredei circuiti da 5 a 10 volte più comples-si di quelli ottenuti con la tecnica « bi-polare » impiegata nella costruzione deitransistori convenzionali e permette diottenere gli stessi risultati. I transistoriprodotti con queste due diverse tecni-che presentano tuttavia delle piccoledifferenze di funzionamento, con il ri-sultato che può essere preferita l'unao l'altra di esse, a seconda della parti-colare applicazione del circuito. Recen-temente si è trovata la maniera di com-binare le due tecniche in modo daaumentare la versatilità dei circuiti.

La produzione di circuiti LSI con« porte » logiche per i calcolatori è an-cora modesta. Un certo numero disocietà produttrici hanno diretto i lo-ro sforzi iniziali nella produzione dicircuiti LSI da impiegarsi come memo-rie nei calcolatori, dato che essi presen-tano una struttura altamente regolaree un mercato potenziale abbastanzaampio (si veda la figura a pag. 49).Nella maggior parte dei dispositivi dimemoria attualmente in fase di svilup-po tutte le « porte » sono in grado difunzionare, cosicché per ottenere pro-duzioni soddisfacenti si richiede unprocesso di costruzione di alto livello.Nel 1972, se non addirittura prima, lasostituzione delle memorie magnetichestandard dei calcolatori (cioè dei tipidi memorie nelle quali dei piccoli a-nelli magnetici di materiale ceramicosono infilati su una matrice costituitada sottili fili) con una serie di memoriemodulari LSI, risulterà economicamen-te vantaggiosa.

Lo sviluppo dei moduli circuitali di-screzionali LSI e dei moduli di me-

moria LSI offre una interessante pro-spettiva per il progettista. Si può in-fatti pensare che l'elaboratore centraledi un calcolatore di elevata capacitàpotrebbe essere costruito da circa 100strati LSI, in questo modo tale calco-latore diventerebbe facilmente traspor-tabile. Sarebbe tuttavia difficile, per ilcostruttore di strati LSI praticare deiprezzi bassi se tutti e 100 gli strati fos-sero diversi fra loro. Per cercare di di-minuire al massimo la varietà deglistrati necessari, i progettisti stanno stu-diando nuove strutture per i calcola-tori. Sarebbe per esempio possibileprogettare dei calcolatori costituiti dablochi di strati LSI identici, nei qualivengano eseguite le operazioni aritme-tiche in parallelo piuttosto che succes-sivamente, come avviene attualmente.Questi sistemi in parallelo sarebberoideali per le applicazioni in time-shar-ing, nelle quali un grande numerodi utilizzatori può accedere simulta-neamente allo stesso calcolatore. Poi-ché ogni blocco LSI è virtualmente unelaboratore indipendente a sé stante, èabbastanza realistico immaginare chegli strati LSI possano essere congiuntiinsieme in diverse maniere in modo dadare origine a calcolatori costruiti sumisura per i diversi clienti. Il risultatofinale della tecnologia LSI sarà quel-lo di aumentare la velocità di elabora-zione dei calcolatori, di ridurre laquantità dei programmi fondamentalirichiesti, di aumentare la capacità deipiccoli elaboratori inseriti nelle appa-recchiature terminali (riducendo cosí ilcarico sul calcolatore principale) e di

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TRANSISTORE SEPARATOREDI FASE DOPPIA

Questa sequenza di ingrandimenti rivela la struttura fine deicircuiti costruiti con le tecniche LSI. Il circuito della Fairchild

rappresentato in basso nella figura a pagina 54 è qui in.grandito rispettivamente di 10 diametri (prima da sinistra) 50

diametri (seconda da sinistra) e 250 diametri (terza da sinistra).Il diagramma riportato nella quarta fotografia mostra la posi.

zione dei singoli transistori e resistori nell'ingrandimento da 250diametri. Il circuito completo finito contiene ben 864 elementi.

ridurre i costi complessivi.Per dare un'idea di come si costrui-

sce uno strato LSI vorrei descriverebrevemente un programma di calcoloper la progettazione di tali circuiti, dame sviluppato presso l'Institute ofScience and Technology dell'Universitàdi Manchester per conto della Interna-tional Telephone and Telegraph Cor-

poration (si vedano le figure a pagi-na 58). Inizialmente il progettista pre-para uno schema delle operazioni lo-giche richieste a un circuito LSI. Que-sta informazione stampata su un nastroperforato viene inviata nel calcolatoree verrà usata in connessione con in-formazioni relative a elementi circui-tali standard presenti nella « bibliote-

ca » del calcolatore. Un programmachiamato PLACE decide quali sono leinterconnessioni necessarie e collega glielementi in modo da ottenere la retedi collegamento più semplice. A que-sto punto gli elementi sono collegaticon linee rette.

Un successivo programma chiamatoCROSSOVER determina tutti i punti

neiquali le connessioni a linea rettaattraversano un elemento. Un altro pro-gramma, CROSSBOW, sposta tuttequeste connessioni in modo che essenon intersechino l'elemento sottostante.Il programma TWIST analizza ognipossibile orientazione di ciascun ele-mento in modo che le connessioni inuscita da ognuno di essi risultino posi-

zionate correttamente. Il programmaDUCK prende in considerazione ogniattraversamento ancora presente, iden-tifica la posizione dei resistori e ruota leconnessioni in modo che passino sottoal resistore stesso. Gli attraversamentiche non possono essere eliminati nelmodo precedente vengono ulteriormenteesaminati dal programma SEARCH

che analizza altre possibilità per ovviarea essi. Gli ultimi attraversamenti ven-gono tolti con il programma CHEAT,che introduce un numero minimo diresistori a basso valore, che possonoessere posti sotto la superficie e impie-gati come sistemi di attraversamento.

Un programma chiamato PACK esa-mina le dimensioni di ciascun elemento

La Texas Instruments, in alcuni circuiti LSI, impiega un si•stema di collegamento eseguito con fili. Il circuito rappresenta-to in queste figure è costituito da 250 porte; è tuttavia possibilecostruirne circa 4000 su un unico strato di silicio di 38 mm di

diametro. Un insieme di 4000 porte richiede circa 12 000 transi-stori. Con questo sistema, con il quale si può ottenere un ab.bassamento dei costi, i singoli elementi vengono provati indi-vidualrnente e le unità difettose vengono schedate nella memoria

di un calcolatore. Il calcolatore consiglia poi il migliore siste.ma di collegamenti fra gli elementi più efficienti in modo da ot-tenere il circuito desiderato. Un tubo a raggi catodici indica ildisegno dei collegamenti verticali e orizzontali separatamente

fra loro (prime due figure a sinistra); i due sistemi visti con-temporaneamente forniscono lo schema completo dei collega.menti (terza figura). Nella figura a destra è rappresentato ilcircuito finito, completo dei collegamenti esterni, in scala 1:1.

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e determina le più piccole dimensionipossibili per esso, senza che si verifichi-no sovrapposizioni. Se tra gli elementinon si ha lo spazio necessario per leconnessioni, il programma STRETCHespande la disposizione fino a che lospazio risulta sufficiente. Infine il pro-gramma LEE (un algoritmo sviluppatoda Chi-Yuan-Lee dei Beli TelephoneLaboratories) determina la reale rete dicollegamenti, sfruttando le regole dellaparticolare tecnologia LSI che deve es-sere impiegata. I programmi di questotipo saranno indubbiamente capaci dieseguire lavori sempre più complessi erappresenteranno forse il primo passoverso una intelligenza artificiale. Stimo-lati da questi esercizi di progettazioneautomatica dei circuiti, stiamo ora esa-minando le tecniche per organizzareun'intera fabbrica su basi logiche, nonnecessariamente allo scopo di automa-tizzare le operazioni, ma di semplifica-re le funzioni, sia umane che mecca-niche, nella fabbricazione di apparaticomplessi.

Attualmente è indispensabile l'impiego deicalcolatori per la risoluzione dei problemiconnessi con la progettazione, la disposi-zione e l'interconnessione degli elementinei circuiti LSI. Presso l'Institute of Scien-ce and Technology dell'Università di Man.chester, l'autore del presente articolo con isuoi collaboratori ha elaborato una seriedi programmi di calcolo che rendono ilprogetto delle interconnessioni pressochéautomatico. Il progettista prepara un dia-gramma logico del circuito necessario, spe-cificando gli elementi circuitali individualirichiesti. Queste informazioni vengono in-viate, per mezzo di un nastro perforato, inun calcolatore. Un programma chiamatoPLACE esamina le interconnessioni ne-cessarie e si occupa della collocazione deisingoli elementi in una disposizione cherenda più semplici possibile le intercon-nessioni. Nel diagramma in alto gli ele-menti sono stati spostati dalla loro arbi-traria posizione originale, nella disposizio-ne rappresentata dai numeri scritti nei cir-colini. (L'elemento n. I era il primo ele-mento della prima riga e cosi via). Inquesto primo stadio le connessioni sono in-dicate da linee nere diritte. Per semplicitànon sono rappresentate tutte le connessio-ni. Il programma CROSSOVER elenca lezone nelle quali una connessione attraversaun elemento, mentre il programma CROSS-BOW dispone le connessioni (linee gri-gie angolate). Il programma DUCK iden-tifica quegli attraversamenti (linee colo-rate tratteggiate l che possono essere evi-tati con una opportuna rotazione dei col-legamenti in modo che essi passino sottoai resistori (linee intere colorate). Dopoaltri programmi intermedi il programmaPACK esamina la forma e le dimensionidei diversi elementi e li colloca in unadisposizione che ricopre la minor areapossibile, come si può osservare nel dia-gramma in basso. Le zone grigie indicanogli spazi non sfruttati. I contorni dei sin-goli elementi sono rappresentati da lineecolorate. Infine il programma LEE (dalnome di chi lo ha sviluppato) stabiliscele reali connessioni (linee nere marcate).

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