Die ersten Computer nahmen den Platz ganzer Gebäude ein, und ihre Rechenleistung war millionenfach geringer als die heutiger billiger und kleiner Geräte. Dieser Umstand lag nicht nur an der geringen Effizienz der damaligen Komponenten, sondern auch daran, dass ein großes Element nur eine Aufgabe bewältigen konnte. Der wichtigste Schritt zur Miniaturisierung elektronischer Geräte war die Erfindung des integrierten Schaltkreises.
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Der erste integrierte Schaltkreis. Welche Anwendungen hatten die ältesten Schaltkreise?
Der erste Versuch, einen integrierten Schaltkreis zu entwickeln, wurde Ende der 1940er Jahre von Geoffrey Dummer unternommen. Obwohl es ihm gelang, die theoretischen Grundlagen für solche Lösungen zu schaffen, schuf er den Schaltkreis selbst nicht. Erfolgreich waren jedoch Projekte, die unabhängig voneinander von zwei Forschern unter der Schirmherrschaft zweier verschiedener Unternehmen durchgeführt wurden – Jack Kilbie von Texas Instruments und Robert Noyce von Fairchild Semiconductor.
Die erste Schaltung, die 1958 vorgestellt wurde, war eine von Kilby entwickelte Schaltung, die als Schöpfer dieser Erfindung gilt (42 Jahre später erhielt er dafür den Nobelpreis). Ihr Gehäuse enthielt mehrere Transistoren und andere Elemente, dank derer sie Aufgaben erfüllen konnte, die zuvor auf viele Komponenten verteilt waren, und die Stromversorgung war für alle gleich. Integrierte Schaltungen wurden zunächst für einen genau definierten Zweck hergestellt. Geräte aus dieser Zeit funktionierten unter anderem als Flip-Flops, Verstärker oder Rechensysteme (SSI – Small Scale Integration). Mit der Entwicklung dieser Technologie konnten integrierte Schaltungen auch als komplexere Komponenten – Decoder, Zähler oder Register – verwendet werden (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprozessoren und digitale integrierte Schaltkreise
Ein weiterer Durchbruch, der die Entwicklung moderner Elektronik und die Erlangung ihrer heutigen Leistungsfähigkeit ermöglichte, war die Entwicklung des Mikroprozessors. Verantwortlich für seine Entwicklung war Marcian „Ted“ Hoff, ein Ingenieur bei Intel. Intel 4004, als die Hardware debütierte, integrierte den gesamten Prozessor in einem einzigen integrierten Schaltkreis. Obwohl es nach heutigen Maßstäben ein primitives System war, markierte es den Beginn einer neuen Ära in der Computergeschichte. Es war mit 2.300 Transistoren ausgestattet und betrieb ein 4-Bit-Maschinenwort. Die Taktfrequenz betrug lediglich 740 kHz.
Der nächste Schritt war die Entwicklung des Intel 8080 Mikroprozessors. Dieser 8-Bit-Prozessor kam in den 1970er Jahren auf den Markt und fand vielfältige praktische Anwendung. Der Fortschritt beschleunigte sich rasant. Gordon Moore, einer der Gründer von Intel, sagte 1965 voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren in integrierten Schaltkreisen alle 18 Monate verdoppeln würde. Seine Vorhersage, heute bekannt als Mooresches Gesetz, trifft immer noch zu, auch wenn sich dieses Tempo in den letzten Jahren auf 24 Monate verlangsamt hat. Die Elektrotechnik verfügt heute über die Technologien, um Schaltkreise aus Milliarden von Transistoren herzustellen, und ihre Leistungsfähigkeit wächst stetig.
Wie ist ein integrierter Schaltkreis aufgebaut?
Was genau ist ein Mikroprozessor und wie ist er aufgebaut? Er besteht aus mehreren Schichten von Halbleiter-, Dielektrikum- und Metallmaterialien. Grundlage der gesamten Struktur ist ein dünnes, flaches Stück Silizium, ein Wafer, auf den die nachfolgenden Schichten aufgebracht werden. Silizium ist aufgrund seiner einzigartigen Halbleitereigenschaften und der Fähigkeit, in einem weiten Temperaturbereich zu arbeiten, ein wichtiges Material für die Herstellung integrierter Schaltkreise.
Der Siliziumwafer enthält Transistoren, die das Grundelement des integrierten Schaltkreises bilden. Dabei handelt es sich um Miniaturschalter, mit denen sich der Stromfluss steuern lässt. In modernen Prozessoren können es sogar mehrere zehn Milliarden davon sein.
Der Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise basiert auf Fotolithografie. Nach der Vorbereitung eines Silizium-Wafers wird eine dünne Schicht lichtempfindlichen Materials darauf aufgetragen. Anschließend wird mithilfe von ultraviolettem Licht und einer speziellen Schablone ein bestimmter Teil des Wafers entsprechend einem zuvor entworfenen Verbindungsmuster freigelegt. Die freigelegten Materialbereiche werden gehärtet, die übrigen chemisch entfernt. Anschließend werden die freigelegten Bereiche des Wafers geätzt, wodurch die entsprechenden Strukturen im Halbleiter erzeugt werden.
Im nächsten Schritt werden Schichten verschiedener leitfähiger und isolierender Materialien aufgebracht. Jede Schicht hat ihre spezifischen Funktionen – sie erzeugt Leiterbahnen, isoliert Elemente voneinander oder erzeugt Transistorstrukturen. Das am häufigsten verwendete Material für die Herstellung von Leiterbahnen ist Kupfer, das Strom hervorragend leitet. Beim Aufbau integrierter Schaltkreise ist es sehr wichtig, dass jede Schicht präzise aufgetragen und perfekt auf die anderen Schichten abgestimmt wird, was höchste Präzision erfordert.
Innerhalb des integrierten Schaltkreises sind Transistoren durch metallische Leiterbahnen miteinander verbunden, die elektrische Signale leiten. Diese müssen sorgfältig geplant und hergestellt werden – die Effizienz und Zuverlässigkeit des gesamten Systems hängen davon ab. Moderne Prozessoren verfügen über Milliarden von Verbindungen, was ihre Konstruktion erheblich erschwert. Metallische Leiterbahnen werden, ähnlich wie andere Systemelemente, im Fotolithografieprozess aufgebracht. Jede Leiterbahnschicht ist durch dielektrische Materialien von der vorherigen isoliert, was Kurzschlüsse verhindert.
Grundtypen integrierter Schaltkreise
Aufgrund der Art der verarbeiteten Signale gibt es zwei Arten digitaler Systeme. Die erste sind digitale integrierte Schaltkreise (DICs), die am häufigsten vorkommenden integrierten Schaltkreise, die mit binären Signalen (mit den Werten 0 und 1) arbeiten. Sie werden in logischen und arithmetischen Operationen verwendet. Systeme dieser Art bilden die Grundlage von Computerprozessoren und vielen anderen Steuerungssystemen – sie werden häufig in der IT-Infrastruktur eingesetzt.
Der zweite Typ sind analoge integrierte Schaltkreise für kontinuierliche analoge Signale. Diese Signale können beliebige Werte innerhalb eines festgelegten Bereichs annehmen. Analoge Schaltkreise werden häufig in Kommunikations- und Audiosystemen eingesetzt. Ihre Haupttypen sind Operationsverstärker, Oszillatoren, Analog-Digital-Wandler (ADC) und Digital-Analog-Wandler (DAC) sowie Speicherchips.
Funktionsprinzip integrierter Schaltkreise
Integrierte Schaltkreise bilden die Grundlage aller modernen elektronischen Geräte. Diese Technologie ermöglicht die Miniaturisierung von Geräten und eine deutliche Steigerung ihrer Effizienz. Die Vielfalt ihrer Typen und die Fähigkeit einzelner Typen, sowohl digitale als auch analoge Signale zu verarbeiten, ermöglichen es den heute produzierten Computern und Controllern, komplexe Aufgaben zu erfüllen. Ihre Leistungsfähigkeit wächst – dank der zunehmenden Anzahl von Transistoren – von Jahr zu Jahr, was die Umsetzung von Projekten ermöglicht, die vor einigen Jahrzehnten noch Science-Fiction waren. Die Zukunft der Branche wird sicherlich noch größere Innovationen bringen – und zwar in den kommenden Jahren.