تقنية تصنيع المعالجات vlsi

السلام عليكم ورحمة الله وبركااته

تقنية تصنيع المعالجات vlsi

من أجل وصف الأنظمة و المكونات التي سنستخدمها ، لابد من استخدام بعض التعريفات الأولية كما يلي:

1- الدائرة المتكاملة Integrated Circuit (IC) ، و هي عبارة عن لوحة تجمع دائرة من عدة مكونات الكترونية في مغلف واحد و قد يصل عدد هذه المكونات الى بضعة مئات الألوف أو حتى بضعة ملايين كما في الدارات الحديثة.

2- الرقاقة Chip هي قطعة صغيرة مستطيلة من السيليكون تحتوي على الدارات المتكاملة.

حقّقت صناعة الإلكترونيّات نموًّا خارقًا طوال آخر عقدين, بشكل رئيسيّ بسبب التّقدّم السّريع في تكنولوجيّات التّكامل، و مع زيادة المهام المعقدة في معالجة البيانات المختلفة و انتشار أجهزة الاتّصالات السّلكيّة واللّاسلكيّة, فإن الحاجة لتنفيذ هذه الوظائف باستخدام أنظمة مصغرة زادت بشكل كبير.

بصفة عامّة, فإن الشرائح المنطقية logic chips مثل شرائح المعالجات الصغرية microprocessor chips و شرائح معالجة الإشارة الرّقميّة digital signal processing (DSP) chips تحتوي على كثير من الوحدات العمليّة التي تقوم بتنفيذ المهام و الأوامر المعقدة المختلفة . نتيجة لذلك, فإن تعقيد تصميمهم ُيفوق كثيرًا تصميم شرائح الذاكرة, بالرّغم من أنّ شرائح الذاكرة المتقدّمة تحتوي على بعض الوظائف المنطقية المتطوّرة . و يجب أن يكون معلوما أن تعقيد تّصميم الشرائح يتناسب بشكل مطّرد مع عدد الترانزستورات ( صمامات الرقائق ) في هذه الشرائح.

كان ميلاد صمامات الرقائق Transistors بين عامي 1946-1947 و كان ذلك بداية عصر الدوائر المتكاملة ، حيث ظهرت أول دائرة متكاملة سنة 1958 ثم ظهرت تقنية التجميع على نطاق ضيق Small Scale Integration (SSI) في بداية الستينات، ثم ظهرت تقنية التجميع على نطاق متوسط Medium Scale Integration (MSI) ثم تقنيات التجميع على نطاق واسع Large Scale Integration (LSI) ، ثم ظهرت تقنية التجميع على نطاق واسع جدا Very Large Scale Integration (VLSI) و قد كان ذلك في أواخر السبعينات ، و للتفريق بين هذه التقنيات يمكن استخدام التصنيف التالي:

SSI = 1 الى 10 صمامات رقائق في كل رقاقة.

MSI = 10 الى 100 – 500 صمام رقائق في كل رقاقة.

LSI = 100-500 الى 10.000 – 20.000 صمام رقائق.

VLSI = أكثر من 20.000 صمام رقائق الى بضعة مئات الألوف.

الخطوة التالية بعد VLSI هي تقنية Ultra Large Scale Integration (ULSI) و التي تسمح بتجميع ما بين 500.000 الى 10.000.000 صمام رقائق في كل رقاقة و من ثم تقنية Gigantic Scale Integration (GSI) و التي تسمح بتجميع أكثر من 10.000.000 صمام رقائق و هي من تقنيات المستقبل.

لماذا نحتاج الى استخدام تقنية VLSI؟

نحتاج الى استخدام تقنية التجميع على نطاق واسع جدا للأسباب التالية:

1- بتقليل حجم المكونات تقل المسافة اللازمة لنقل الإشارة الكهربائية و بالتالي تزيد سرعة نقل البيانات.

2- التقليل من استهلاك الطاقة الكهربائية.

3- التقليل من كلفة التصنيع حيث تتم العملية آليا دون تدخل العمال.

مجالات استخدام VLSI:

1- المعالجات الصغرية Microprocessors في الكمبيوترات الشخصية.

2- المتحكمات الصغرية Microcontrollers.

3- رقائق الذاكرة في الكمبيوترات الشخصية

4- معالجات لأداء مهام خاصة.

قانون مور Moore's Law:

توقع مؤسس شركة إنتل Gordon Moore في أوائل الثمانينات أن عدد صمامات الرقائق في كل رقاقة في المعالجات الصغرية سيتضاعف كل 18-24 شهر .
و لتحقيق هذا التطور في صناعة المعالجات الصغرية باستخدام تقنية VLSI هناك عدة أمور يجب أن تؤخذ في عين الاعتبار:

1- الكلفة : حيث يجب مراعاة أن لا يرتفع سعر تكلفة صناعة الرقاقة كي لا يرتفع ثمن المنتج و بالتالي يقل الإقبال عليه، و تأتي الكلفة المرتفعة لتغطية ما يلي:

أ- تكلفة الأبحاث لإنتاج رقائق جديدة في أسرع وقت بسبب التنافس الكبير بين المصنعين.

ب- تكلفة أجهزة التصنيع.

ج- تكلفة المواد الأولية.

د- تكلفة إجراء الاختبارات على الرقائق.

2- السرعة : فمع زيادة عدد الصمامات سيتم الحصول على سرعات أكبر للمعالجات و لكن مع مراعاة أن زيادة السرعة يصاحبها استهلاك أكبر للطاقة.

3- استهلاك الطاقة : يجب مراعاة التقنية لتقليل استهلاك الطاقة المتولدة مع السرعات الكبيرة.

4- الموثوقية: و يتعلق ذلك بمتانة التصنيع و تقليل الأخطاء أو تجنبها قدر الإمكان.

لمحة عن تصنيع مكونات VLSI:

لتصنيع مكونات الدوائر المتكاملة تستخدم تقنية أشباه الموصلات من أوكسيد المعدن ****l Oxide Semiconductor (MOS).

من أجل أن نصنع دائرة MOS يجب أولا إنتاج بلورة من السيليكون ، حيث يتم تقسيم هذه البلورة بعدئذ الى شرائح باتجاه محدد و شرائح دائرية رقيقة جدا تدعى رقيقة Wafer و يمكن إنتاج عدة دزينات من الرقائق Chips من رقيقة واحدة. يتم تعريض الرقيقة للطبع الحجري الضوئي Photolithographic و هي عملية شبيهة بطبع الصور التجارية ، حيث يتم إنشاء مناطق كهربائية موجبة و سالبة على السيليكون بحقن شوائب Impurities فيه أثناء عملية التصنيع و تسمى هذه العملية التطعيم Doping. بعد الانتهاء من تشكيل القوالب الكاملة على الرقيقة يجري اختبار الرقيقة و في حال نجاح الاختبارات يتم تقطيع الرقيقة و تكسيرها الى رقائق مفردة ، ثم تحمل كل رقاقة على غلاف Package و توصل بأسلاك ذهبية مع الوسادات و الغلاف ، ثم يتم ختم الغلاف و يخضع للاختبار النهائي و في حال اجتياز الاختبار بنجاح ترسل الرقائق للبيع.

هناك عدة تقنيات MOS كما يلي :

1- تقنية PMOS و هي التقنية التي تستخدم قابلية الحركة للشحنات الموجبة P لنقل الكهربائية ، و هي تقنية قديمة نسبيا و قد استخدمت في صناعة المعالجات الصغرية الأولى. تعطي هذه التقنية كثافة جيده تصل الى 20.000 صمام رقائقي أو أكثر للرقاقة الواحدة ، و مع ذلك فهي بطيئة نسبيا عند مقارنتها بالتقنيات الأخرى.

2- تقنية NMOS هي التقنية التي تستخدم قابلية الحركة للشحنات السالبة N لنقل الكهربائية و هي أسرع من PMOS و تعطي كثافة جيدة.

3- تقنية Complementary MOS (CMOS) ( متمم MOS) تستخدم هذه التقنية المزج بين صمامات الرقائق الموجبة القنال P-channel و السالبة القنال N-channel، حيث تتطلب استخدام صمامي رقائق أحدهما موجب القنال و آخر سالب القنال، لهذا تقع مواصفاتها بين تقنية NMOS و PMOS ، فهي أسرع من PMOS و لكنها أبطأ قليلا من NMOS و كثافتها عالية و هي توفر الميزات التالية:

1- تستهلك طاقة كهربائية أقل.

2- لها مناعة ممتازة ضد الضوضاء و التشويش.

اتمنى ان ينال الموضوع اعجابكم
تحيااااتي
ملوووكة