mini|hochkant=1.4|Mikroprozessor Intel i486DX2 (1992): Das geöffnete Gehäuse des ICs zeigt das 76 mm² große Halbleiter-Plättchen mit 1,2 Millionen Transistoren. Der zentrale rechteckige Bereich ist die eigentliche elektronische Schaltung, an deren Seiten die Anschlussleitungen zur Verdrahtung zu den Pins des Gehäuses angeordnet sind. Durch unterschiedliche Helligkeiten sind Funktionseinheiten wie Rechenwerk und Cache des Prozessors zu erkennen. mini|hochkant=1.4|Obiger ungeöffneter IC: Unten ist ein Teil der 168 Pins zu sehen, die im Betrieb im Prozessorsockel auf der Hauptplatine eines PCs stecken. Aktuelle Prozessor-Chips umfassen bei ähnlichen Abmessungen mittlerweile etwa 4000 Mal so viele Transistoren.
Ein integrierter Schaltkreis, auch integrierte Schaltung (, kurz IC; die Buchstaben werden einzeln gesprochen: [] [] bzw. veraltet IS) ist eine auf einem dünnen, meist einige Millimeter großen Plättchen aus Halbleiter-Material aufgebrachte elektronische Schaltung.
Beschreibung Sie wird manchmal auch als Festkörperschaltkreis oder monolithischer Schaltkreis ( bzw. ) bezeichnet. Dieser Chip () ist meist zum Schutz und zur einfacheren Kontaktierung in einem mehrfach größeren Chipgehäuse eingekapselt. Ein IC enthält typischerweise eine Kombination von zahlreichen miteinander elektrisch verbundenen elektronischen Halbleiterbauelementen wie Transistoren, Dioden und/oder weiteren aktiven und passiven Bauelementen.
Integrierte Schaltkreise können heutzutage Schaltungen mit vielen Milliarden elektronischen Bauelementen (insbesondere Transistoren) umfassen, so dass auch hochkomplexe Schaltungen wie Mikroprozessoren und Speicherchips auf wenige Quadratmillimeter kleinen Halbleiterplättchen untergebracht werden können. Seit Anfang der 1990er Jahre werden die Mikrostrukturen dieser Elemente schon im Nanometer-Bereich gefertigt.Proceedings of Crack Paths (CP 2009). University of Padua, Padua 2009, ISBN 978-88-95940-28-1, S. 887. Die rechteckigen Halbleiterplättchen werden Chip genannt (auch schon im Rohzustand), insbesondere zusammen mit dem aufgebrachten elektronischen Schaltkreis auch Mikrochip. Die Herstellung von ICs erfolgt in eigenen Halbleiter-Fabriken in absolut staubfreien Reinräumen und umfasst eine Vielzahl von Prozessschritten physikalischer und chemischer Art. Da generell die Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren und Speicherchips mit kleiner werdenden Strukturen auf dem Chip zunimmt, bewegt sich deren Miniaturisierung oft an der Grenze des technisch und physikalisch Machbaren. Es existieren jedoch auch zahlreiche, insbesondere standardisierte ICs wie Logikbausteine und Operationsverstärker. Zunächst enthielten die Logik-Chips der weit verbreiteten, bereits seit den 1970ern hergestellten 74xx-Serie nur eine Anzahl Transistoren im ein- oder zweistelligen Bereich.
Sprachgebrauch Umgangssprachlich wird inzwischen Mikrochip bzw. Chip teilweise mit einem IC gleichgesetzt, obwohl der Chip nur das „Innenleben“ eines Schaltkreises darstellt, also das als Die bezeichnete Halbleiterplättchen mit der eigentlichen Schaltung darauf.
Abzugrenzen von integrierten Schaltkreisen sind außerdem Doppel-, Dreifach- oder weitere Mehrfach-Bauelemente (unabhängig ob als Halbleiter-Bauelement oder Röhre), die sich jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse oder Glaskolben wie Doppel-Dioden, -Trioden, -Pentoden, Doppel- bzw. Dreifach-Darlington-Transistoren usw. befinden.
Geschichte mini|hochkant=1.3|Schaltung der integrierten Widerstände und Kondensatoren im Inneren der 3NF von Siegmund Loewe (Patent 1925/1926). Kontaktbezeichnung & Funktion: • Triode: zur inneren Triode • A(ntenna)/S(tation select): Antenne/Senderwahl • P(ower)+/-: Batterie • H(eating): Röhrenheizung • L(oudspeaker): Lautsprecher/Kopfhörer
Vorgänger Vor der Entwicklung integrierter Schaltungen gab es aktive elektronische Bauelemente, die zusammen mit mehreren passiven fest verdrahtet und in einem Gehäuse ausgeliefert wurden. Ein Beispiel waren die Mitte der 1920er Jahre entwickelten Elektronen- bzw. Vakuumröhren 3NF und 2HF – erstere eine Dreifachröhre, ähnlich der späteren Doppel-Triode ECC83. Im Unterschied zu der jüngeren Röhre waren bei beiden 1920er-Röhren, wie in einem IC, jedoch zusätzlich bereits im Inneren des Kolbens der Röhre vier bzw. zwei Widerstände und zwei oder ein Kondensator eingearbeitet. Daraus resultierten fertige Radio-Schaltungen – die 3NF als Basisschaltung zum Ortsempfang und Verstärkung und die 2HF zusätzlich zum optionalen Fernempfang, bei denen lediglich die Außenkomponenten zur Senderwahl, Spannungsversorgungen und Wiedergabe (Lautsprecher oder Kopfhörer) sowie die Antenne angeschlossen werden mussten.History of Wireless. John Wiley & Sons, New Jersey 2006, ISBN 0-471-71814-9, S. 339 ff.Otto Stürner: Die Elektronen-Röhre. In: Radiotechnik. (= Sammlung Göschen. Band V). Verlag Walter de Gruyter, Berlin 1927, S. 68 ff.
Bis Ende der 1950er Jahre wurden elektronische Schaltungen mit diskreten Bauteilen aufgebaut, d. h. mit einzelnen Transistoren, Dioden etc., die auf einer Leiterplatte zu einer Schaltung zusammengefügt wurden, vgl. Integration (Technik). Dies war hinsichtlich Größe und Lebensdauer bereits ein wesentlicher Durchbruch gegenüber den damals konkurrierenden Elektronenröhren.
Zwar gab es schon vor der Erfindung des Transistors elektronische Bauelemente, die mehrere Funktionen in einem Bauteil integrierten, in Form von Mehrsystemröhren, Verbundröhren wie der 3NF, Duodioden oder auch mehranodigen Quecksilberdampfgleichrichtern, die in einem Bauteil die Funktion mehrerer gesteuerter oder ungesteuerter Gleichrichter (eine Kathode und mehrere Anoden) vereinten. Transistoren weisen gegenüber den Vakuumröhren entscheidende Vorteile auf, z. B. geringere Leistungsaufnahme und Größe. Mit der Anwendung von Leiterplatten bzw. Platinen und der daraus resultierenden Verkleinerung der Produkte begann diese neuere Technik die frühen röhrenbasierten integrierten Systeme zu verdrängen. Dieser Trend verstärkte sich mit der Entwicklung und dem massiven Einsatz von integrierten Schaltungen ab den 1960er Jahren vollends.
Jacobi-Patent Kaum bekannt ist der bereits 1949 von Werner Jacobi erfundene und patentierte „Halbleiterverstärker“, eine Schaltung aus fünf Transistoren auf einem als Trägermaterial dienenden Halbleiter. Diese bilden eine dreistufige Verstärkerschaltung in Form eines integrierten Schaltkreises. Zwei Transistoren werden „über Kopf“ geschaltet und bewirken damit die Impedanzwandlung zwischen den Transistorstufen. Jacobi hielt fest, dass damit zum Beispiel Hörgeräte klein, leicht und billig realisiert werden können.
Eine umgehende wirtschaftliche Nutzung seines Patentes ist nicht bekannt. Die Formulierung des Integrationsgedankens in der am 15. Mai 1952 bekannt gemachten Patentschrift lautet: „Halbleiterverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiter mehrere in verschiedenen Schalt- bzw. Verstärkerstufen wirkende Elektrodensysteme aufgesetzt werden.“ Damit geht zum Beispiel die Integration mehrerer Leuchtdioden in ein Gehäuse im Grundgedanken auf Jacobi zurück.
Von Kilby und Noyce bis heute mini|hochkant=1.3|Nachbau des ersten IC von Jack Kilby. Modell im Heinz Nixdorf MuseumsForum mini|hochkant=1.3|IC im DIP-Kunststoffgehäuse. Älterer 8-Bit-Mikrocontroller (PIC 16F84A) mit beschreibbarem EEPROM-Speicher. Der integrierte Schaltkreis befindet sich nicht sichtbar im Inneren des Kunststoffgehäuses. mini|hochkant=1.3|Detailansicht eines EPROMs. Die gebondeten Anschlussdrähte sind gut zu erkennen Der erste integrierte Schaltkreis (ein Flipflop) wurde im September 1958 von Jack Kilby entwickelt. Er bestand aus zwei Bipolartransistoren, welche auf einem Germanium-Substrat befestigt und durch Golddrähte verbunden wurden. Dieser Hybrid-Schaltkreis ist somit ein erstes Beispiel der Umsetzung der schon bekannten Transistor-Transistor-Logik (TTL) auf einen Schaltkreis. Sie war eine Vorstufe zur Weiterentwicklung der TTL-Schaltungen hin zu kleineren Bauformen.
Den ersten „monolithischen“, d. h. aus bzw. in einem einzigen einkristallinen Substrat gefertigten, integrierten Schaltkreis meldete Robert Noyce im Juli 1959 zum Patent an. Das Entscheidende an der Erfindung von Noyce war die komplette Fertigung der Bauelemente einschließlich Verdrahtung auf einem Substrat. Für die Herstellung wurden bereits fotolithografische Verfahren und Diffusionsprozesse genutzt, die Fairchild Semiconductor kurz zuvor für die Herstellung des ersten modernen Diffusions-Bipolartransistors entwickelt hatte. Unter anderem auf diesen Techniken basierend wurden 1970/71 nahezu gleichzeitig die ersten Mikroprozessoren von drei Firmen vorgestellt: der Intel 4004, der Texas Instruments (TI) TMS 1000 und der Garrett AiResearch „Central Air Data Computer“ (CADC).
Die ersten integrierten Schaltkreise in Serienproduktion entstanden Anfang der 1960er Jahre (vor allem bei Texas Instruments und Fairchild Semiconductor). Sie bestanden lediglich aus bis zu wenigen Dutzend Bipolar-Transistoren (, SSI), typischerweise in RTL-Technik. Mit den Jahren wurden die Bauelemente jedoch immer weiter verkleinert, passive Bauelemente wie Widerstände integriert sowie die Komplexität der integrierten Schaltkreise gesteigert. Damit erhöhte sich auch die Anzahl der Transistoren pro Chip beziehungsweise pro Flächeneinheit; dabei war die Anzahl der Transistoren die wichtigste Kenngröße von ICs. Robert Widlar lieferte signifikante Beiträge zu den analogen integrierten Schaltkreisen.
Ein fördernder Faktor für die Weiterentwicklung waren die Rüstungsindustrie und die Raumfahrt. Bis Mitte der 1960er Jahre war die US-Regierung Hauptabnehmer integrierter Schaltkreise. Ziel war die Miniaturisierung der Technik beider Bereiche. Ab 1965 erfolgte die Ausrüstung des Gemini-Programms mit Bord-Computern auf Basis von ICs.David C. Mowery, Nathan Rosenberg: Postwar federal investment. In: Technology and the Pursuit of Economic Growth. Cambridge University Press, Cambridge (England) 1989, ISBN 0-521-38936-4, S. 145 f.Robert Slater: Making the computer smaller and more powerfull. In: Portraits in Silicon. The Massachusetts Institute of Technology, Cambridge MA 1987, ISBN 0-262-69131-0, S. 159.
Mit der medium-scale integration (MSI) fanden einige hundert Transistoren, bei der (LSI) Anfang der 1970er einige tausend Transistoren Platz auf einem Chip. Damit war es erstmals möglich, einen ganzen Hauptprozessor (CPU) als sogenannten Mikroprozessor auf einem Chip zu integrieren, was die Kosten für Computer extrem reduzierte. Mit der Erfindung der Mikroprozessoren sind die Namen Gordon Moore, Marcian Edward Hoff und Federico Faggin eng verbunden.
Anfang der 1980er folgte die (VLSI) mit einigen hunderttausend Transistoren, mittels derer man schon bald Speicherchips (RAM) mit einer Kapazität von 256 KiBit und 1 MiBit herstellen konnte. Mit dieser Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie ging eine immer höhere Entwurfsautomatisierung (siehe Chipentwurf) des Designs und der zur Fertigung erforderlichen Fotomasken einher, ohne die eine Entwicklung komplexerer Schaltungen nicht mehr möglich war.
Im Jahr 2010 enthielten Grafik-Prozessoren bis zu drei Milliarden Transistoren (siehe Nvidia Tesla), „normale“ General-Purpose-CPUs bis zu 1,17 Milliarden Transistoren (Intel Core i7-980X). Der Itanium 2 Tukwila besteht aus 2,05 Milliarden Transistoren. Mittlerweile sind Grafikprozessoren bei Transistorzahlen von über neunzig Milliarden Transistoren angelangt (Nvidia GTX 5090). Noch größere Zahlen werden bei Speicherbausteinen erreicht, bei allerdings geringerer Komplexität des gesamten Chips.
Arten und Anwendung mini|hochkant=1.3|IC (К145ХК3П, alt: К1ЖГ453), entwickelt in der SU, 2× enthalten im ab 1974 gefertigten sowjetischen Taschenrechner Эпос 73 (Epos 73) Überblick