Die ersten Computer besetzten die Fläche ganzer Gebäude, und ihre Rechenleistung war millionenfach geringer als die moderner, günstiger und kleiner Geräte. Dieser Zustand war nicht nur auf die geringe Effizienz der damaligen Komponenten zurückzuführen, sondern auch auf die Tatsache, 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. Was waren die Anwendungen der ältesten Systeme?
Der erste Versuch, einen integrierten Schaltkreis zu entwickeln, wurde Ende der 1940er Jahre von Geoffrey Dummer unternommen. Obwohl es ihm gelang, eine theoretische Grundlage für solche Lösungen zu schaffen, hat er das System selbst nicht geschaffen. Projekte, die unabhängig voneinander von zwei Forschern unter der Schirmherrschaft zweier verschiedener Unternehmen durchgeführt wurden – Jacek Kilbie von Texas Instruments und Robert Noyce von Fairchild Semiconductor – waren jedoch erfolgreich.
Das von Kilbie entwickelte System wurde 1958 als erstes vorgestellt und er gilt als Schöpfer dieser Erfindung (42 Jahre später erhielt er dafür den Nobelpreis). In seinem Gehäuse waren mehrere Transistoren und andere Elemente untergebracht, dank derer er Aufgaben erfüllen konnte, die zuvor in viele Komponenten aufgeteilt waren, und die Stromversorgung war allen gemeinsam. Ursprünglich wurden integrierte Schaltkreise für einen bestimmten Zweck hergestellt. Geräte aus dieser Zeit funktionierten unter anderem: B. Flip-Flops, Verstärker oder Rechensysteme (SSI – Small Scale Integration). Mit der Entwicklung dieser Technologie könnten integrierte Schaltkreise auch als komplexere Komponenten – Decoder, Zähler oder Register (MSI – Medium Scale Integration) – eingesetzt werden.
Mikroprozessoren und digitale integrierte Schaltkreise
Ein weiterer Durchbruch, der es der modernen Elektronik ermöglichte, ihre heutigen Fähigkeiten zu entwickeln und zu erreichen, war die Entwicklung des Mikroprozessors. Marcian „Ted“ Hoff, ein Intel-Ingenieur, war für die Entwicklung verantwortlich. Intel 4004, wie das Gerät unter diesem Namen erstmals vorgestellt wurde, integrierte den gesamten Prozessor in einem integrierten Schaltkreis. Obwohl es sich nach heutigen Maßstäben um ein primitives System handelte, markierte es den Beginn einer neuen Ära in der Geschichte der Informatik. Es war mit 2.300 Transistoren ausgestattet und wurde mit einem 4-Bit-Maschinenwort betrieben. Die Taktfrequenz betrug nur 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 viele praktische Anwendungen. Der Fortschritt wurde schnell exponentiell. 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, die heute als Moores Gesetz bekannt ist, ist immer noch zutreffend, obwohl sich diese Rate in den letzten Jahren auf 24 Monate verlangsamt hat. Derzeit verfügt die Elektrotechnik über Technologien, die die Schaffung von Systemen aus Milliarden von Transistoren ermöglichen, und ihre Fähigkeiten wachsen ständig.
Wie ist ein integrierter Schaltkreis aufgebaut?
Was genau ist ein Mikroprozessor und wie ist er aufgebaut? Es besteht aus mehreren Schichten aus Halbleiter-, dielektrischen und metallischen Materialien. Grundlage der gesamten Struktur ist ein dünnes, flaches Stück Silizium, also ein Wafer, auf dem nachfolgende Schichten abgeschieden werden. Silizium ist aufgrund seiner einzigartigen Halbleitereigenschaften und seiner Fähigkeit, über einen weiten Temperaturbereich zu arbeiten, ein wichtiges Material für die Herstellung integrierter Schaltkreise.
Der Siliziumwafer enthält Transistoren, die das Grundelement des integrierten Schaltkreises sind. Dabei handelt es sich um Miniaturschalter, mit denen Sie den Stromfluss steuern können. Moderne Prozessoren können sogar mehrere Dutzend Milliarden davon enthalten.
Der Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise basiert auf der Fotolithographie. Nach der Vorbereitung des Siliziumwafers wird eine dünne Schicht aus lichtempfindlichem Material darauf aufgetragen. Anschließend wird mit ultraviolettem Licht und einer speziellen Schablone ein bestimmter Teil der Platine entsprechend dem zuvor entworfenen Verbindungsmuster mit Licht bestrahlt. Die freiliegenden Materialbereiche werden ausgehärtet und die verbleibenden Bereiche chemisch entfernt. Die freigelegten Fragmente des Wafers werden anschließend geätzt, wodurch entsprechende Strukturen im Halbleiter erzeugt werden können.
Der nächste Schritt besteht darin, Schichten verschiedener leitender und isolierender Materialien aufzubringen. Jede Schicht hat ihre eigenen spezifischen Funktionen – sie schafft Leiterbahnen, isoliert Elemente voneinander oder schafft Transistorstrukturen. Das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von Leiterbahnen ist Kupfer, das den Strom perfekt leitet. Beim Aufbau integrierter Schaltkreise ist es sehr wichtig, dass jede Schicht präzise aufgetragen und perfekt auf die anderen Schichten abgestimmt wird, was große Präzision erfordert.
Innerhalb des integrierten Schaltkreises sind Transistoren über Metallpfade miteinander verbunden, die elektrische Signale leiten. Diese müssen sorgfältig geplant und ausgeführt werden – davon hängen die Effizienz und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems ab. Moderne Prozessoren verfügen über Milliarden von Verbindungen, was ihren Aufbau erheblich erschwert. Die Metallbahnen werden wie andere Elemente des Systems im Fotolithographieverfahren abgeschieden. Jede Leiterbahnschicht ist durch dielektrische Materialien von der vorherigen isoliert, wodurch Kurzschlüsse vermieden werden.
Grundtypen integrierter Schaltkreise
Aufgrund der Art der verarbeiteten Signale gibt es zwei Arten digitaler Schaltungen. Die erste sind digitale integrierte Schaltkreise, die häufigste Art integrierter 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 für Computerprozessoren und viele andere Steuerungssysteme und werden häufig in der IT-Infrastruktur eingesetzt.
Der zweite Typ sind analoge integrierte Schaltkreise, die für kontinuierliche analoge Signale ausgelegt sind. Diese Signale können innerhalb eines vorgegebenen Bereichs beliebige Werte annehmen. Analoge Schaltkreise werden häufig in Kommunikations- und Audiosystemen verwendet. Ihre Haupttypen sind Operationsverstärker, Oszillatoren, Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Digital-Analog-Wandler (DACs) sowie Speicherchips.
Funktionsprinzip integrierter Schaltkreise
Integrierte Schaltkreise sind die Grundlage aller modernen elektronischen Geräte. Dank dieser Technologie war es möglich, die Geräte zu miniaturisieren und ihre Effizienz um ein Vielfaches zu steigern. Aufgrund der Vielfalt ihrer Typen und der Fähigkeit einzelner Typen, sowohl digitale als auch analoge Signale zu verarbeiten, sind Computer und Steuerungen heute in der Lage, komplexe Aufgaben zu erfüllen. Ihre Leistungsfähigkeit nimmt dank der zunehmenden Anzahl von Transistoren von Jahr zu Jahr zu, was uns die Umsetzung von Projekten ermöglicht, die vor einigen Jahrzehnten noch der Science-Fiction-Bereich galten. Die Zukunft der Branche wird sicherlich noch größere Innovationen bringen – und zwar in den nächsten Jahren.
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