Перспективы цифровой интегральной радиоэлектроники

Введение

Радиоэлектроника является катализатором научно-технического прогресса страны, базисом для устойчивого роста других отраслей промышленности. Рынок радиоэлектронной аппаратуры является одним из самых емких и быстрорастущих и обладает огромным потенциалом дальнейшего развития.
Широкое применение радиоэлектроники во всех сферах деятельности человека оказало и продолжает оказывать огромное влияние на развитие экономики и образ жизни людей. Удельный вес инновационной продукции составляет около 30% от общего объема промышленного производства [1].
Большая часть современной радиоаппаратуры стала цифровой. Все большее применение при проектировании авиационных РТС находят интегральные схемы и микропроцессорные компоненты. В ряде случаев развитие техники изменило относительную важность отдельных вопросов и тем [2].
Быстрое развитие цифровой техники и цифровых методов обработки сигналов определяет современные тенденции в разработке разнообразных устройств и приборов, при этом значительная роль принадлежит аналого- цифровому и цифро-аналоговому преобразованию. Оно широко используется во всех областях радиоэлектроники, в различной измерительной и контрольной аппаратуре, системах связи, радиовещании и телевидении. Цифровая электроника в настоящее время занимает ключевую роль в развитии человечества. Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств [3].
Вышеизложенная информация определяет актуальность работы.
Цель данной работы – всесторонне охарактеризовать перспективы цифровой интегральной радиоэлектроники.
1 ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И МИКРОСХЕМЫ КАК БАЗА СОВРЕМЕННОЙ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Интегральная микросхема – прибор (микроэлектронный), который состоит из таких элементов как транзистор, диод (активные элементы) и резисторов, конденсатов (пассивные элементы). Также в состав ИС входят соединительные проводы.
Классификация ИС по технологии изготовления следующая: пленочные, гибридные, полупроводниковые и совмещенные.
По сумме всех входящих в ИС элементов различают:
- первой степени интеграции – в состав ИС входит до 10 элементов,
- второй степени – в состав ИС входит от 11 до 100 элементов,
- третьей степени – в состав ИС входит от 101 до 1000 элементов (большие интегральные микросхемы),
- четвертой степени – в состав ИС входит от 1001 до 10000 элементов и т.д. (сверхбольшие интегральные микросхемы).
По функциональному назначению интегральные микросхемы делят на два больших класса: цифровые (или логические) и аналоговые (или линейно-импульсные). Цифровые микросхемы используют в ЭВМ, устройствах дискретной обработки информации. 
В настоящее время серии интегральных микросхем широко используются в радиоэлектронной аппаратуре.
Интегральная микросхема, или просто интегральная схема (ИС), – совокупность большого числа электронных компонентов, изготовленных в едином технологическом цикле на кристалле полупроводникового материала, которая выполняет определенные функции преобразования и обработки сигналов. Первая цифровая интегральная схема была изобретена в 1959 году и содержала всего 12 транзисторов. Но уже через несколько лет появились большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов. В настоящее время на кристалле сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) расположены десятки миллионов транзисторов, размеры которых составляют менее 0,1 мкм.
Интегральные микросхемы являются элементной базой современной радиоэлектроники, автоматики и электронно-вычислительной техники.
Базовые элементы, независимо от их микросхемотехники и особенностей технологий изготовления, строятся в одном из базисов (как правило, в базисе И–НЕ или ИЛИ–НЕ) [4].
Базовые элементы выпускаются в виде отдельных микросхем, либо входят в состав функциональных узлов и блоков, реализованных в виде СИС, БИС, СБИС. В процессе реализации базовые логические элементы строят из двух частей: входной логики, выполняющей операции И или ИЛИ, и выходного каскада, выполняющего операцию НЕ. Входная логика может быть выполнена на диодах, биполярных и полевых транзисторах.
В зависимости от этого различают:
- транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ, ТТЛШ),
- интегральную инжекционную логику (ИИЛ, И2Л),
- логику на МДП-транзисторах (МДП, МОП),МОП-транзисторная логика на комплементарных транзисторах (КМОП-логика).
В перечисленных группах логических элементов в качестве выходного каскада используется ключевая схема (инвертор). Другая группа логических элементов основана на переключателях тока – эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ-логика).
В основе схемы ЭСЛ лежит переключатель тока, в одно из плеч которого включено параллельно несколько транзисторов

. Эти транзисторы равноправны – отпирание любого из них (или всех вместе) приводит к изменению логического состояния переключателя. Поэтому ЭСЛ-элементы выполняют логическую функцию ИЛИ-НЕ [4].
2 РАЗВИТИЕ ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Принципы создания больших интегральных схем заложены в 4-ом этапе развития радиоэлетроники. Четвертый этап в развитии радиоэлектроники наступил одновременно в СССР (НИИ «Пульсар») и США (Texas Instruments) [5], где были созданы первые твердотельные интегральные схемы. Интегральная радиоэлектроника хотя и медленно, но стала набирать обороты. Интегральные микросхемы постепенно вытесняют транзисторы, как в аналоговых, так и цифровых устройствах. Появляются настольные вычислительные машины на цифровых интегральных микросхемах. Новое направление в радиоэлектронике - цифровая обработка сигналов, благодаря цифровым интегральным схемам и первым аналого-цифровым преобразователям в интегральном исполнении, получило практическую реализацию. В то время как в России в 90-е годы была практически полностью разрушена электронная промышленность, на западе, а затем в Юго-Восточной Азии и Китае была создана мощная инфраструктура производств комплектующих для программируемой электроники. К началу нового XXI века там уже были разработаны несколько поколений микропроцессоров, сигнальных процессоров и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
Проекты, реализованные на сигнальных процессорах и ПЛИС, уже применяются в таких областях как адаптивная цифровая фильтрация, адаптивное обнаружение и накопление сигналов, управление фазированными антенными решетками, программируемое формирование различных генерируемых сигналов сложной формы с большой частотно-временной базой и их программируемое сжатие. Сформировалось целое направление в создании программируемых радиоприемных устройств (Software Defined Radio).
3 Перспективы развития и применения цифровой интегральной радиоэлектроники

Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений. Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции [5].
Основным перспективным развитием для цифровой интегральной радиоэлектроники является – повышение степени интеграции.
Повысить степень интеграции можно двумя способами:
- путем увеличения плотности упаковки между элементам, .т.е. необходимо уменьшить их площадь;
- путем изменения размера кристалла.
И один, и второй путь – это сложные технологические процессы. Достаточно сложны при создании БИС и такие проблемы, как схемотехника.
Ниже приведем перечень общих вопросов (проблем), которые сопровождают этап разработки БИС:
Проблема дефектов подложки.
Проблема уменьшения размеров элементов ИС.
Проблема теплоотвода.
Проблема межсоединений [6].
Таким образом, при создании СБИС и УБИС приходилось и приходится решать целый ряд конструкторско-технологических проблем. 1) Проблема дефектов подложки. Чем больше площадь кристалла, тем выше вероятность того, что дефект кристаллической структуры приведет к выходу из строя какого-либо элемента интегральной микросхемы. Эта проблема решается совершенствованием технологии изготовления полупроводниковых подложек. 2) Проблема уменьшения размеров элементов ИС. Известно, что размеры элементов определяются литографией. Разрешающая способность фотолитографии ограничена длиной волны света (около 1 мкм). Современная субмикронная литография использует излучения со значительно меньшей длиной волны (электронные, ионные и рентгеновские лучи), позволяющие получить размер элементов менее 1 мкм (до 0,1 мкм). 3) Проблема теплоотвода. Уменьшение размера элементов и расстояния между ними ведет к увеличению удельной мощности, рассеиваемой единицей поверхности подложки. Практически величина этой мощности не превышает 5 Вт/см2 . Эта проблема решается применением микрорежимов работы логических элементов. При этом предпочтительнее схемы КМДП и И2Л, потребляющие мощность менее 0,1 мВт на логический элемент. 4) Проблема межсоединений