Tümleşik devre

Yarı iletken aygıt üretimi
MOSFET ölçeklemesi (üretim süreçleri)
020 µm – 1968 010 µm – 1971 006 µm – 1974 003 µm – 1977  1,5 µm – 1981 001 µm – 1984 800 nm – 1987 600 nm – 1990 350 nm – 1995 250 nm – 1997 180 nm – 1999 130 nm – 2001 090 nm – 2003 065 nm – 2005 045 nm – 2007 032 nm – 2009 028 nm – 2010 022 nm – 2012 014 nm – 2014 010 nm – 2016 007 nm – 2018 005 nm – 2020 003 nm – 2022 002 nm – 2025
Gelecek
1 nm ~ 2027
İlgili
Devre küçültme Transistör sayısı CMOS Yarı iletken cihaz Moore yasası Yarı iletken Yarı iletken sanayii Mikroelektronik Nanoelektronik
g t d

Tümleşik devre (entegre devre ya da tümdevre olarak da bilinir; İngilizce: integrated circuit, IC), transistörlerin, dirençlerin, kondansatörlerin ve bunlar arasındaki bağlantıların tamamının aynı yarı iletken malzeme üzerinde tek bir süreçle üretildiği elektronik devredir. Tümleşik devreler yüksek saflıkta bir silisyum plaka üzerinde topluca üretilir; plakadan kesilip ayrılan her parçaya kırmık, paketlenmiş hâline ise yonga (çip) denir.

Tümleşik devreyi 1958'de Texas Instruments'ta Jack Kilby ve 1959'da Fairchild Semiconductor'da Robert Noyce birbirinden bağımsız olarak geliştirdi. Kilby, tümleşik devrenin bulunuşundaki payı için 2000 Nobel Fizik Ödülü'nün yarısını aldı. Bir yongadaki bileşen sayısı o günden beri hızla arttı: Gordon Moore 1965'te bu sayının her yıl yaklaşık iki katına çıktığını gözlemledi ve 1975'te öngörüsünü iki yılda bir ikiye katlanma olarak güncelledi; bu gözlem Moore yasası olarak bilinir. 1971'de Intel 4004 2.300 transistör içeriyordu; Apple'ın 2024'te tanıttığı M4 yongasında ise 28 milyar transistör vardır. Bugün üretilen yongaların yüzde 99'dan fazlası MOS transistörlerle kurulur.

Kilby'nin 6 Şubat 1959 tarihli patent başvurusu buluşunu, içinde yayınımla oluşturulmuş bir p-n eklemi bulunan ve elektronik devrenin bütün bileşenlerinin tamamen tümleştirildiği bir yarı iletken gövde olarak tanımlar. Noyce'un düzlemsel yaklaşımı ise bileşenleri tek bir silisyum parça içinde yalıtarak ve üzerlerine buharlaştırılmış metal bağlantılar koyarak bugünkü yekpare (monolitik) tümleşik devrenin temelini attı.

Tümleşik devreler işledikleri sinyale göre üç öbekte toplanır. Analog ya da doğrusal tümleşik devreler ses, sıcaklık gibi sürekli değişen büyüklükleri gösteren akım ya da gerilim dalga biçimlerini işler; sayısal tümleşik devreler bilgiyi çoğunlukla ikili biçimde işler. Karma sinyalli tümleşik devreler ise analog ve sayısal bileşenleri tek bir yongada birleştirir.

Bir yongadaki mantık kapısı sayısı arttıkça bu sayıya göre adlandırmalar yapıldı:

Kısaltma	Adı	Mantık kapısı sayısı	Ortaya çıktığı dönem
SSI	Küçük ölçekli tümleştirme	1-12	1960'lar
MSI	Orta ölçekli tümleştirme	12-100	1960'lar
LSI	Büyük ölçekli tümleştirme	100 ve üzeri	1960'ların sonu
VLSI	Çok büyük ölçekli tümleştirme	1000 ve üzeri	1970'ler

Aynı ölçekler kimi kaynaklarda kapı yerine transistör sayısıyla tanımlanır. Bütün bir plakanın tek bir yonga olarak kullanıldığı plaka ölçeğinde tümleştirmenin bir örneği, Cerebras'ın 2024'te tanıttığı 4 trilyon transistörlü WSE-3'tür.

Birden çok bileşeni tek bir parçada toplamanın erken bir örneği, Loewe'nin 1926'da çıkardığı 3NF radyo tüpüdür: tek bir cam kolbanın içinde üç tüp düzeneği, iki kondansatör ve dört direnç bulunuyordu. O dönemde radyo üreticileri Marconi şirketine her alıcı için, alıcıdaki tüp yuvası sayısına göre lisans bedeli ödüyordu; tek bir tüp ve bir bobinle ucuz ama iş gören bir alıcı yapılabiliyordu. 3NF'li OE333 alıcısı 39,50 Reichsmark'a satıldı.

Werner Jacobi, Siemens'te 1949'da tek bir parça üzerinde beş transistörlü bir yükselteç için patent başvurusu yaptı. Başvuru, aygıtın işitme aygıtlarına özellikle uygun olacağını belirtiyordu. İngiltere'de Telecommunications Research Establishment'ta çalışan Geoffrey Dummer, Mayıs 1952'de Washington'da yaptığı bir konuşmada transistörün ve yarı iletken çalışmalarının ortaya çıkmasıyla elektronik donanımı bağlantı telleri olmayan katı bir blok içinde tasarlamanın olanaklı göründüğünü söyledi. Dummer ve ekibi 1956'da silisyumun direncini değiştirme teknikleri üzerinde çalışmaya başladı ve ertesi yıl bir "katı devre" modeli yaptı, ama Kilby'den önce çalışan bir tümleşik devre kuramadı.

Aynı yıllarda ABD'de bileşenleri küçültüp paketlemeye dayanan yaklaşımlar denendi. Donanma 1951'de Tinkertoy projesini destekledi; RCA ise Ekim 1957'de kalem boyunda bir radyoyu ABD Ordusu'na gösterdi ve Nisan 1958'de Mikromodül Programı adını alan 5 milyon dolarlık bir sözleşme aldı.

Jack Kilby, Texas Instruments'ta fikirlerini Temmuz 1958'de yazıya dökmeye başladı ve 12 Eylül 1958'de şirket yöneticilerine bir yarı iletken parça üzerinde kurulmuş, çalışan bir tümleşik devre gösterdi. Kilby'nin devresi germanyumdan yapılmıştı ve bileşenleri ince altın tellerle birbirine bağlanıyordu. Bu çalışma 15 Ekim 2009'da bir IEEE Milestone ile anıldı.

Fairchild Semiconductor'da Jean Hoerni, Ocak 1959'da patent açıklamasını yazdığı düzlemsel (planar) süreçle Mart 1959'da çalışan bir düzlemsel transistör gösterdi. Robert Noyce, bu sürece dayanarak Temmuz 1959'da patent başvurusu yaptı; havada duran tel bağlantıları ortadan kaldıran bu yöntem, Kilby'nin katı devrelerini üretmek için pratik bir yol sundu. Fairchild mühendisleri ilk çalışan yekpare tümleşik devreleri Mayıs 1960'ta üretti. Fairchild, Micrologic adını verdiği ilk ürünlerini Mart 1961'de New York'taki IRE fuarında tanıttı. Texas Instruments ilk ticari aygıtı Type 502 ikili flip flopu Mart 1960'ta çıkarmıştı; düzlemsel tekniği kullanan Series 51 ailesini ise Ekim 1961'de duyurdu.

Tümleşik devrelerin ilk büyük alıcıları havacılık ve savunma projeleriydi. Texas Instruments 1961'de ABD Hava Kuvvetleri için silisyum yongalarla kurulan ilk bilgisayarı yaptı. NASA'nın Apollo Rehberlik Bilgisayarı ilk dönemin en önemli projesiydi; Texas Instruments 1962'de Minuteman II füzesinin güdüm sistemi için 22 özel devre tasarlama sözleşmesi aldı.

Bell Labs'ta M. M. Atalla ile Dawon Kahng, 1959'da ilk başarılı yalıtılmış kapılı alan etkili transistörü (MOSFET) gerçekleştirdi. İlk ticari MOS tümleşik devreyi 1964'te General Microelectronics çıkardı: Robert Norman'ın tasarladığı, 120 p-kanallı transistör içeren 20 bitlik bir kaydırmalı yazmaç. Fairchild'da C. T. Sah ile Frank Wanlass, 1963'te p-kanallı ve n-kanallı MOS transistörleri birleştiren devrelerin beklemede neredeyse hiç güç harcamadığını gösterdi; bu yapı CMOS adını aldı. Federico Faggin'in Fairchild'da geliştirdiği silisyum kapılı teknolojiyle 1968'de ilk silisyum kapılı tümleşik devre, 3708 çıktı; Faggin 1970'te Intel'e geçti ve 4004'ün tasarımında bu deneyimi kullandı.

James Buie'nin 1961'de patentini aldığı transistör-transistör mantığı (TTL), sonraki yirmi yılın en yaygın mantık yapısı oldu. Intel 1971'de, Dov Frohman'ın tasarladığı ve morötesi ışıkla silinip yeniden programlanabilen 2048 bitlik EPROM yongası 1702'yi duyurdu.

Tümleşik devreler, silindir biçimindeki bir kristal külçeden dilimlenen ince ve yüksek saflıkta yarı iletken plakalar üzerinde topluca üretilir. Üretim adımları kabaca tasarım, maske hazırlama, fotolitografi, dağlama, kaplama, sınama, kesim ve paketlemedir; bu adımlar elli kattan fazla katman için yinelenir. Fotolitografi bir izdüşüm düzeneğidir: ışık basılacak desenin kalıbından geçirilir ve küçültülmüş desen ışığa duyarlı bir katmanla kaplı plakaya düşürülür. Bell Labs'ta Jules Andrus ile Walter L. Bond, baskılı devre kartları için geliştirilmiş fotogravür tekniklerini 1955'te silisyuma uyarlamaya başladı. Maskeyle açılan bölgelere katkı maddeleri verilerek silisyumun elektriksel davranışı değiştirilir; bu işleme katkılama denir. En ileri süreçlerde kullanılan aşırı morötesi (EUV) litografi 13,5 nm dalga boyunda ışıkla çalışır ve bu teknolojiyi yalnızca ASML sunar. Tozun devreleri bozmaması için üretim temiz odalarda yapılır; Intel'e göre fabrikalarındaki temiz odaların havasında steril bir ameliyathanedekinden 1000 kat az parçacık bulunur.

Üretim süreçleri tarihsel olarak transistörün kapı uzunluğuna karşılık gelen bir ölçüyle adlandırılırdı; bugün bu ad fiziksel boyutlarla zayıf bir ilişki taşır ve daha çok bir kuşak göstergesidir. IEEE Spectrum'a göre 7 nm süreçteki bir transistörün kritik boyutlarının çoğu 7 nm'den epey büyüktür. IEEE'nin IRDS yol haritası da dökümhaneler ve üreticiler arasında düğüm adlandırmasında bir uzlaşı bulunmadığını belirtir. Bu süreçlerin ayrıntıları 7 nm, 5 nm ve 3 nm gibi maddelerde anlatılır. Bir üretim tesisinin teknolojik olgunluğunun en önemli göstergesi, bir plakadan çıkan sağlam kırmıkların oranı olan verimin zamanla iyileşmesidir; bu iyileşmeye verim öğrenme eğrisi denir.

Yongasını tasarlayıp plaka üretimini başka bir şirkete yaptıran şirketlere fabrikasız (fabless) şirket, yalnızca başkaları için plaka üreten şirketlere dökümhane denir. 1987'de Morris Chang'in kurduğu TSMC, yalnızca müşterileri için üretim yapan saf dökümhane iş modelinin öncüsü oldu. Semiconductor Industry Association'a göre dünya yarı iletken satışları 2025'te 791,7 milyar dolara ulaştı.

Tümleşik devreler bilgisayar destekli araçlarla tasarlanır; bu alana elektronik tasarım otomasyonu (EDA) denir. IBM, 1950'lerin sonunda 700 dizisi bilgisayarlarının belgelenmesiyle bu alana öncülük etti. Özel tasarımların seri üretimi için iki yaklaşım geliştirildi: kapı dizileri ve standart hücreler; ikisine birlikte uygulamaya özgü tümleşik devre (ASIC) denir. Xerox PARC'tan Lynn Conway ile Caltech'ten Carver Mead'in Introduction to VLSI Systems kitabı, yonga tasarımını sistem tasarımcıları için anlaşılır kıldı.

Kullanıcının programlayabildiği Boole mantık işlevleri ve bağlantılar içeren alanda programlanabilir kapı dizisini (FPGA) 1984'te Ross Freeman buldu; Freeman'ın kurucuları arasında olduğu Xilinx, 64 programlanabilir mantık işlevi içeren ilk FPGA'sı XC2064'ü 1985'te tanıttı.

• Mikroişlemci
• Moore yasası
• Çok geniş ölçekli tümleşim
• Yarı iletken aygıt üretimi
• Çok yongalı modül
• Transistör