نویسنده : احسان داستانی - دانشجوی ارشد کامپیوتر دانشگاه صنعتی شریف یکی از المان‌های اساسی در مدارات الکترونیکی، آی سی (IC) است. به عبارتی در طراحی برد الکترونیکی، آی سی که تحت عناوین تراشه و چیپ (Chip) نیز شناخته می شود، نقش مغز را ایفا می‌کند!
این قطعه معمولا به رنگ مشکی در برد مدارات چاپی PCB (Printed Circuit Board) به چشم می‌خورد.
ICهای موجود روی مادربورد سیستم کامپیوتری
IC مخفف عبارت Integrated Circuit (به معنی مدار مجتمع) است. منظور از مدار مجتمع یا چیپ این است که یک مدار بزرگ الکترونیکی را به صورت یک قطعه الکترونیکی بسیار کوچک، با دقیقا همان کارایی‌های قبلی، درآورده‌اند که تنها حدود یک سانتی‌متر مربع فضا اشغال می‌کند. تراشه ها شامل عناصری بوده که از نظر الکتریکی جدا نشدنی و به یکدیگر متصل هستند.
هر چیپ چندین ورودی و خروجی دارد؛ از این‌رو با پردازش ورودیها، مقادیر خروجی را تولید کرده و در اختیار بخش‌های خروجی خود قرار می‌دهد. از مهم‌ترین قطعات یک کامپیوتر که براساس تکنولوژی IC ساخته شده است می‌توان به پردازنده یا همان سی پی یو (CPU) اشاره کرد که میلیاردها ترانزیستور را در خود جای داده است. بنابراین یکی از مهم‌ترین کاربردهای Chipها در ساخت واحد پردازش مرکزی کامپیوتر است.
اکنون که يک آشنايی با اين المان مهم پيدا کرديم، به تعريف دقيق و فني آن خواهیم پرداخت.
IC چیست؟
آی سی به مجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی اطلاق میگردد که روی یک صفحه‌ی نازک و کوچکِ مسطح از جنس نیمه رسانا (عموما سیلیکون) ساخته می‌شود. این مدارات الکترونیکی شامل تعداد بسیار زیادی (امروزه در حد میلیون یا میلیارد) مقاومت، خازن و ترانزیستور هستند که روی این صفحه سیلیکونی ساخته می‌شوند.
ترانزیستور یک سوئیچ باینری و بلوک اصلی ساختار مدارهای کامپیوتری است. در ابتدا این مدارها چند ده ترانزیستور بیشتر نداشتند، ولی با تکامل فناوری ساخت IC آن‌ها هم به سمت پیچیده‌تر شدن رفتند. این قطعه وظیفه دارد درباره عبور یا عدم عبور جریان تصمیم گیری کند.
همانطور که پیش تر بیان شد، آی سی (IC) تحت عناوین متفاوتی شناخته می شود که عبارتند از: تراشه، چیپ (Chip) و مدارات مجتمع.
شما می‌توانید تعداد ترانزیستورهای بکار رفته در نسل‌های مختلف CPU را در اینجا مشاهده کنید.
نحوه تولید سی پی یو که خود نوعی چیپ محسوب می‌شود
در تراشه، ترانزیستورها به‌عنوان کلیدهای الکتریکی عمل می‌کنند که می‌توانند جریان را قطع یا وصل کنند. با اینکه در تعریف بالا ذکر شد که مدارات الکترونیکی بکار رفته، خازن و مقاومت را نیز شامل می‌شوند اما در ساخت ICها طراحان سعی می‌کنند به جاي استفاده از المان‌هاي ديگر تا حد امکان از ترانزیستور استفاده کنند. برای مثال بجای خازن از ترانزیستور در بایاس معکوس استفاده می‌کنند چرا که ترانزیستور موجب کاهش حجم نهایی مدار می‌شود؛ و یا در جایی دیگر که مقاومت بزرگی نیاز دارند، مثلاً در حد مگا اهم باز از ترانزیستور استفاده می‌کنند، چون در حجمی که مقاومت اشغال می‌کند می‌توان چندین ترانزیستور جای داد.
آی سی نیز همانند دیگر قطعات کامپیوتر، برای عملکرد درست نیاز به برنامه نویسی دارد. در برنامه نویسی IC ابتدا نرم افزار از طریق کد ایجاد شده و سپس به مدار مجتمع اضافه می شود. در این روند از کامپیوتر بعنوان یک پل برای آپلود کدهای نوشته شده در تراشه استفاده می شود.
تقریباً تمام نمونه‌های برنامه نویسی آی سی برای میکروکنترلرها انجام می‌شود، زیرا میکروکنترلرها معمولاً بدون داشتن نرم‌افزار و دستورالعمل‌های آی سی بی‌فایده هستند.
در ساخت ICها یا از ترانزیستورهای دو قطبی BJT استفاده می‌کنند که اصطلاحاً به آن‌ها TTL می گویند یا از ترانزیستورهای Mosfet که اصطلاحاً به آن‌ها CMOS می‌گویند. البته به ترکیب این دو تکنولوژی با یکدیگر، BiCMOS می‌گویند.
تاریخچه پیدایش آی سی
آی سی ریشه در اختراع ترانزیستور در سال 1947 توسط ویلیام برادفورد شاکلی (William Bradford Shockley Jr) و تیمش در آزمایشگاه‌های بل دارد. تیم شاکلی (از جمله جان باردین John Bardeen و والتر براتین Walter Houser Brattain) دریافتند که در شرایط مناسب، الکترون‌ها در سطح بلور‌های خاصی مانعی تشکیل می‌دهند و آن‌ها با استفاده از این مانع یاد گرفتند که جریان الکتریسیته را از طریق کریستال کنترل کنند. کنترل جریان الکترون از طریق یک کریستال به تیم اجازه می‌دهد تا دستگاهی ایجاد کند که می تواند برخی عملیات الکتریکی مانند تقویت سیگنال را که قبلاً توسط لوله های خلاء انجام می شد، انجام دهد.
سالهاي بعد مدار مجتمع برای اولین بار به عنوان یک مفهوم توسط مهندس رادار بریتانیایی جفری دامر (Geoffrey Dummer) در 7 می 1952 معرفی شد. سپس پس از آن توسط جک کیلبی (Jack Kilby) و رابرت نویس (Robert Noyce) توسعه یافت و در 12 سپتامبر 1958 با موفقیت به نمایش درآمد.
وظایف تراشه ها در کامپیوتر
هر ریز تراشه، وظیفه یا وظایف خاصی را در مدار انجام می‌دهد. عموماً هر ریز تراشه چندین ورودی دارد که با پردازش این ورودیها، مقادیر خروجی را تولید و در بخش خروجی خود قرار می‌دهند. بعضی از این تراشه‌ها با سیگنالهای آنالوگ کار می‌کنند (مانند ریز تراشه‌ای باکد 741 که یک تقویت‌کننده آنالوگ است). بعضی‌های دیگر با سیگنالهای دیجیتال کار می‌کنند، مانند ریز تراشه‌ای که برای خواندن اطلاعات موجود در یک CD استفاده می‌شود.
واحد پردازنده مرکزی کامپيوترها (CPU) یکی از مهم‌ترین مدارات ساخته شده به صورت مجتمع است که میلیاردها ترانزیستور را در سطح کوچکی از نیم‌رسانا جای داده‌است؛ مثلاً پروسسورIBM z13 Storage Controller که در سال ۲۰۱۵ ساخته شده‌است، حدود ۷٬۱۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰ ترانزیستور را درmm² 678 سطح نیم‌رسانا از ویفر(wafer) جای داده‌است. به طور کلی یک IC می تواند به عنوان یک تقویت کننده، نوسان ساز، تایمر، شمارنده، حافظه کامپیوتر یا ریز پردازنده باشد.
امروزه از مدارهای مجتمع در وسایل جانبی‌ايی مانند صفحه‌کلید و موس، هدفون، بلندگو و میکروفون و همچنين گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها استفاده می‌شود.
انواع IC در سیستم‌های کامپیوتری
ICها به سه دسته تقسیم می شوند که عبارتند از:
- چیپ های آنالوگ
- آی سی های دیجیتال
- تراشه های سیگنال مختلط
در ادامه به توضیح بیشتر هریک از انواع آی سی می پردازیم.
آنالیز داده و استفاده از ابزارهای آماری و تحلیلی: متخصصین حوزه‌های داده‌کاوی و هوش تجاری برای محاسبات آماری و نمایش گرافیکی داده‌ها از یک سری زبان‌های برنامه نویسی خاص (مثل R) استفاده می‌کنند. امروزه بسیاری از شرکت‌های بزرگ دنیا که با داده‌های بزرگ سر و کار دارند برای تجزیه و تحلیل این داده‌ها متخصصین زبان‌های برنامه‌نویسی تحلیل داده استخدام می‌کنند. شرکت‌هایی مثل فیسبوک، اوبر، گوگل، مایکروسافت و ... .
مدارهای مجتمع آنالوگ (آی سی آنالوگ)
در این نوع از آی سی‌ها، ورودیها و خروجی‌ها سیگنالهای پیوسته و متغیری هستند که در یک محدوده پیوسته کار می‌کنند. سطح سیگنال خروجی تابعی خطی از سطح سيگنال ورودی است (ولتاژها با یکدیگر نسبت مستقیم دارند). به همین دلیل است که به این نوع از مدارهاي مجتمع، "آی سی‌های خطی" نیز می‌گویند.
آی سی‌های خطی اغلب برای تقویت فرکانس استفاده می‌شوند. از نمونه‌های معروف این نوع چیپ می‌توان به تنظیم‌کننده‌های ولتاژ، تایمر، مقایسه کننده و تقویت‌کننده‌های عملیاتی (Op-amp)، دمدولاسیون و مدولاسیون اشاره کرد. Op-ampها رایج‌ترین نوع ICهای آنالوگ محسوب می‌شوند. آی سی‌های خطی در تقویت‌کننده‌های صوتی، سوئیپ فانکشن ژنراتور (Sweep Function Generator)، فیلترهای صوتی و نوسان‌سازها بسیار اهميت و کاربرد دارند.
مدارهای مجتمع دیجیتال (آی سی دیجیتال)
یک IC دیجیتال دارای تعداد محدودی از حالت‌های ورودی و خروجی به صورت گسسته است. مدارهای دیجیتال را "آی سی‌های غیر خطی" نیز می‌نامند زیرا روی سیگنالهای ناپیوسته کار می‌کنند.
ولتاژ ورودی و خروجی آی سی‌های غیر خطی تنها داراي دو مقدار است؛ این مقادیر، ولتاژ "بالا – High – يک منطقی - روشن" یا ولتاژ "پايين – Low – صفر منطقی - خاموش"، با توجه به نوع مدار، خروجی‌های متفاوتی را مي‌توانند در مدار ايجاد کنند. از اين مدارها برای محاسبه و پياده سازی توابع بولی (Boolean) استفاده می‌شود، به عنوان مثال از اين تراشه‌ها برای ساخت گیت‌های منطقی مانند گیت AND، گیت OR، گیت NAND، گیت XOR، فلیپ فلاپ (Flip Flops) و شمارنده (Counter) استفاده می‌کنند. نمونه هایی از IC دیجیتال، میکروکنترلر ها و ریزپردازنده‌ها است.
مدارهای مجتمعِ سیگنال مختلط (آی سی Mixed signal)
این طرح‌های هیبریدی با ترکیب عناصر ICهای آنالوگ و دیجیتال به صورت مهندسی شده، ساخته می‌شوند. در واقعيت، آی سی‌های مختلط همه جا هستند. این آی سی‌ها امکان داشتن تراشه‌هایی را فراهم می‌کنند که به‌عنوان مبدل A/D (آنالوگ به دیجیتال)، مبدل D/A (دیجیتال به آنالوگ) و مدارهای زمان‌بندی ساعت (clock timing circuits) عمل می‌کنند. لازم به ذکر است که محاسبات مدرن بر اساس این تراشه‌ها صورت می‌گيرند.
چه آینده‌ای در انتظار تراشه‌ها است؟
بیشتر شرکت‌های الکترونیک به دنبال کاهش سايز ترانزیستورها هستند، اما این مقیاس‌ها نمی‌توانند به طور نامحدود ادامه یابند. به نظر میرسد مدارهای نانو الکترونیکی (مدارهای ساخته شده با قطعاتی در مقیاس 10 نانومتر) امیدوارکننده ترین جانشین برای آی سی‌های باشند. مدارهای با مقیاس مولکولی شامل دیودها، سوئیچ‌های بای استِیبِل (Bistable Switches) و نانوسیم‌ها که در آزمایشگاه‌های شیمی ساخته شده‌اند. تکنیک‌های خود مونتاژ این دستگاه‌ها در معماری‌های مختلف نیز ارائه شده و برای ساخت نمونه‌های اولیه در مقیاس کوچک استفاده شده است که این دستگاه‌ها و تکنیک‌های مونتاژ منجر به تولید مدارهای الکترونیک در مقیاس نانو می‌شوند.
شما می‌توانيد برای درک بهتر آينده پيش روی مدارهای مجتمع(IC)، به اين مقاله مراجعه کنيد.
