ما در دنیایی مملؤ از انواع محتلف مدارهایی به نام مدار مجتمع زندگی می‌کنیم. تعداد فراوانی از این مدارها در کامپیوتر یافت می‌شوند که نمونه‌ی بارز آن‌ها، ریزپردازندهها (microprocessors) هستند. ریزپردازندهها مدارهای مجتمعی هستند که مسئول پردازش کل اطلاعات موجود در کامپیوتر می‌باشند: برای مثال ترتیب و چگونگی استفاده از کلیدها و موس را به خاطر می‌سپارند، به انجام محاسبات می‌پردازند، و برنامه‌ها و بازی‌ها را اجرا می‌کنند.همچنین می‌توان ادعا کرد که مدار مجتمع تقریباً در تمام ابزراهای الکترونیکی از قبیل تلوزیون، خودرو، CD Player، و گوشی همراه وجود دارد. اما به راستی مدار مجتمع چیست و تاریخچه ی آن، چه رویدادهایی را در دل خود جا داده است؟
مدار الکتریکی
مدار مجتمع، چیزی جز یک مدار الکتریکی بسیار پیشرفته نیست. مدار الکتریکی از اجرای الکتریکی مانند ترانزیستور، مقاومت، خازن، و دیود تشکیل شده است که به اشکال مختلفی با هم ارتباط پیدا کرده اند. این اجرا، رفتارها و وظایف مختلفی دارند.
ترانزیستور نقش کلید را داشته و می‌تواند جریان برق را قطع یا تقویت کند. از کاربردهای آن می‌توان به ذخیره‌ی اطلاعات در کامپیوترها ، و یا تقویت سیگنال‌های صوتی در امپلیفایرهای استریو اشاره کرد.
مقاومت، با محدودکردن جریان الکتریکی، امکان کنترل مقدار جریان عبوری را فراهم می‌کند. از کاربردهای آن‌ها می‌توان به کنترل مقدار بلندی صدا در تلوزیون پ رادیو اشاره کرد.
خازن، الکتریسته را انباشته و تمام آن را در یک شلیک سریع آزاد می‌کند. نمونه‌ی چنین استفاده‌ای در دوربین‌ها است که یک باتری کوچک انرژی موردنیاز برای فلش‌زدن دور بین را تأمین می‌کند.
دیود، الکتریسیته را تحت شرایطی قطع کرده، و فقط در صورت تغییر شرایط مذکور، به آن اجازه‌ی عبور می‌دهد. برای مثال، در دستگاه‌های فتوکپی، پرتوهای نور شکسته ، دیود را تحریک می‌کنند تا جریان انتقالی از آن قسمت را متوقف کنند.
نقش این اجزا برای ساخت ابزار الکتریکی، مشابه نقش آجر در پروژه‌های ساختمانی است؛ براساس چگونگی ارتباط یافتنن این اجزا با یکدیگر، ابزار الکترونیکی بسیار متنوعی از آژیر دزدگیر تا ریزپردازنده‌های کامپیوتری ساخته می‌شوند.
ترانزیستور در مقابل لوله‌ی خلأ
دربین ساختارهایی که در بالا اشاره شد، ترانزیستور مهم‌ترین جزء لازم برای ساخت کامپیوترهای مدرن است. قبل از اختراع ترانزیستور، مهندسان از لوله‌های خلاء استفاده می‌کردند. لوله‌ی خلأ نیز همانند ترنزیستور می‌تواند جریان الکتریسیته را قطع، وصل، و یا تقویت کند. پس چه دلیلی برای جایگزینی آن با ترانزیستور وجود داشت؟ ععل بسیاری برای این جایگزینی وجود دارد.
لوله‌ی خلأ، رفتار و ظاهری کاملاً مشابه با لامپ نوری دارد و همانند آن گرمای زیادی تولید کرده و تمایل به سوختن و ازکارافتادن دارد. همچنین در مقایسه با ترانزیستور، بزرگتربوده و سرعت کمتری نیز دارد.
با شروع تلاش مهندسان برای ساخت مدارهای پیچیده توسط لوله‌های خلأ، به سرعت به محدودیت‌های آن پی برده شد. برای مثال، اولین کامپیوتر دیجیتالی به نام ENIAC، که با استفاده از لوله‌های خلأ ساخته شده بود، هیولایی عظیم با وزن بیش از ۳۰ تن، و مصرف انرژی ۲۰۰ کیلووات بود. حدود ۱۸۰۰ لوله‌ی خلأ در ساخت این کامپیوتر به کار رفته بود که سوختن مداوم تعدادی از آن‌ها، این کامپیوتر را به دستگاهی غیرقابل اعتماد تبدیل کرده بود.
مقاله مرتبط: ترانزیستور: از خودخواهی تا تحول جهانی
با اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۷، انقلابی در صنعت الکترونیک رخ داد. ترانزیستور که بسیار کوچکتر، سریع‌تر، کارآمدتر و قابل اعتمادتر بود، به سرعت جایگزین لوله‌های خلآ شد. و در نهایت با کناررفتن محدودیت‌ها، دانشمندان شروع به تفکر درباره‌ی ساخت دستگاه‌های الکترونیکی رویاهای خود کردند. اما آیا چنین چیزی ممکن بود؟
استبداد اعداد
با قابل دسترس‌شدن ترانزیستور، طراحی و ساخت مدارهای بسیار پیچیده برای مهندسان الکترونیک ممکن به نظر می‌رسید. اما با پیچیده‌ترشدن مدارها، مشکلات نیز شروع به پیچیده‌ترشدن کردند.
هنگام ساخت مدار، در تماس‌بودن صحیح قطعات در محل‌های ارتباطی بسیار مهم است. درصورت عدم برقراری تماس، جریاندر حین عبور از مدار قطع شده و مدار را از کار می‌اندازد. قبل از پیدایش مدارهای مجتمع، کارگران مونتاژ، تمامی قطعات را با دست، در کحل خود قرار داده و سپس توسط سیم‌های فلزی بین‌شان ارتباط برقرار می‌کردند. مهندسان به زودی متوجه شدند که مونتاژ دستی تعداد بالایی از چنین مدارهایی برای ساخت ابزاری مانند کامپیوتر، و مخصوصاً بدون بروز تنها یک خطا، کاری غیرممکن خواهد بود.
مشکل دیگر، اندازه‌ی مدارها بود. عملکرد یک مدار پیچیده، همانند کامپیوتر، وابسته به سرعت است و بزرگ‌بودن محتویات مدارها، یا طویل‌بودن سیم‌های ارتباط دهنده، باعث کاهش سرعت سیگنال‌های انتقالی و در نتیجه کاهش سرعت و عملکرد کامپیوتر می‌شود.
به همین دلیل اعداد مشکل‌ساز بودند. ساخت مدارهای پیشرفته باوجود محتویات و ارتباطات فراوان، غیرممکن بود. این مشکل به عنوان «استبداد اعداد» (tyranny of numbers) شناخته می‌شد.
تراشه‌ی جک کیلبی- ایدهی یکپارچگی
در تابستان سال ۱۹۵۸، جک کیلبی (Jack Kilby) راه‌حلی برای مشکل یافت. او که به تازگی در شرکت Texas Instruments استخدام‌شده و برای کار روی پروژه‌ی ساخت مدارهای الکترونیکی کوچکتر گماشته شده بود. با این وجود مسیر انتخابی توسط این شرکت، از نظر کیلبی مناسب‌نبود.
کیلبی که به تازگی استخدام شده بود، مانند کارمندان دیگر شرکت نیازی به مرخصی نداشت و فرصت را برای یافتن راه‌حل مخصوص خودش برای مشکل ساخت مدارهای کوچکتر، غنیمت شمرد. ایدهی کیلبی، ساخت تمام اعضای تراشه از یک قطعه‌ی واحد و یکپارچه (monolithic) از مواد نیمه‌رسانا بود. همزمان با بازگشت بقیه‌ی کارمندان از مرخصی، کیلبی با ارائه‌ی ایدهی خود به مافوقش، فرصت ساخت نسخه‌ی آزمایشی مدار موردنظرش را یافت. بدین‌ترتیب در سپتامبر سال ۱۹۵۸، اولین مدار مجتمع ساخته شده و عملکرد بسیار خوبی از خود نشان داد!
با وجود اینکه این مدار مجتمع، اولین تجربه و مسلماً دارای ایراداتی نیز بود، ایدهی به‌کاررفته در ساخت آن، ایده‌ای پیشگامانه بود. با ساخت اجزای گوناگون از قطعه‌ی یکسانی از ماده، و افزودن فلز موردنیاز برای اتصال قطعات، به صورت لایه‌ای در بالای آن‌ها، دیگر نیازی به ساخت دست‌ساز قطعات به صورت مجزا، و نیز استفاده از سیم‌ها وجود نداشت، مدارها کوچکتر شده و فرآیند ساخت و تولید می‌توانست به فرم ماشینی تبدیل شود.
احتمالاً بیشترین شهرت جک کیلبی به خاطر اختراع مدار مجتمع است که به لطف آن، موفق به دریافت جایزه‌ی نوبل فیزیک در سال ۲۰۰۰ شد. پس از این موفقیت، کیلبی به فعالیت خود در شرکت Texas Instruments ادامه داده و دربین تمام فعالیت‌های دیگرش، مسئولیت رهبری تیمی را به عهده گرفت که بعدها موفق به اختراع دستگاه ماشین حساب جیبی شدند.
نیم سال بعد از ارائه‌ی تکنیک ساخت مدار مجتمع توسط جک کیلبی، رابرت نویس (Robert Noyce) ایدهی دیگری برای ساخت مدارهای مجتمع مطرح کرد. مدار معرفی‌شده توسط نویس، بسیاری از مشکلات موجود در مدار مجتمع ارائه‌شده توسط کیلبی، به خصوص مشکل اتصال تمام قطعات موجود برروی تراشه را حل کرد. ایدهی او افزودن فلز به عنوان لایه‌ی نهایی و سپس حذف بخش‌هایی از آن به منظور شکل‌دهی سیم‌های ارتباطی داخل مدار بود؛ تولید انبوه مدارهای مجتمع را آسان‌تر کرد. رابرت نویس علاوه‌بر پیشگامی در امر تولید مدارهای مجتمع، از بنیانگذاران شرکت اینتل، یکی از بزرگ‌ترین تولید‌کننده‌های مدارهای مجتمع در جهان است.
تولید تراشه در دنیای امروزی
تولید تراشه در دنیای امروزی بر مبنای فرآیند فوتولیتوگرافی صورت می‌گیرد. در فوتولیتوگرافی، پرتو فرابنفش با انرژی بالا با عبور از یک ماسک، برروی قطعه‌ای سیلیکون پوشیده‌شده توسط فیلم حساس به نور تابانده می‌شود. ماسک نقشه‌ی بخش‌های مختلف تراشه را تعیین می‌کند و نور فرابنفش تنها به بخش‌هایی که با ماسک پوشیده نیستند، خواهد تابید. پس از ایجاد فیلم، نواحی دریافت‌کننده نور فرابنفش حذف شده و الگوی اولیه شامل نواحی محافظت‌شده و محافظت‌نشده تشکیل خواهد شد.
سپس، نواحی محافظت‌نشده، دست‌خوش تغییر می‌شوند تا خواص الکتریکی آن‌ها تغییر یابد. در مراحل بعد، به‌ترتیب لایه‌های جدیدی از ماده‌ی موردنظر افزوده‌شده و تمامی مراحل از نو تکرار می‌شوند. پس از ساخت تمامی قطعات، یک لایه‌ی کامل از فلز افزوده شده و همانند قبل، لایه‌ای از فیلم حساس به نور اعمال‌شده و مراحل مشابه تکرار می‌شود؛ با این تفاوت که این‌بار ماسک استفاده‌شده، ابعاد سیم‌های اتصال‌دهنده‌ی اجزای تراشه‌را تعیین می‌کند. نهایتاً تراشه‌ی ساخته‌شده، آزمایش و بسته‌بندی خواهد شد.
اندازه‌ی اجزای تراشه‌ای که در کارخانه‌های مدرن ساخت تراشه، تولید می‌شوند، بسیار کوچک است. برای فهم بهتر اندازه‌ی این قطعات، یک تار مو از سر خود برداشته و آن را به دو نیم تقسیم کنید. حال نگاهی به مقطع مو در محل دونیم‌شدن بیاندازید. در چنین فضای کوچکی که به سختی توسط چشم غیرمسلح قابل رؤیت است، هزاران ترانزیستور مدرن را می‌توان جای داد.
ساخت تراشه در چنین ابعاد کوچکی، نیازمند دقتی در حدود مقیاس اتمی است. در چنین مقیاسی ذرات ریز مانند مو، گرد و غبار، سلول مرده‌ی پوست، باکتری یا حتی یک ذره‌ی منفرد تنباکو، موادی با اندازه‌های بسیاربزرگ محسوب می‌شوند که قابلیت ایجاد اختلال در تراشه و خراب‌کردن آن را دارند.
لذا تولید تراشه در فضاهای مخصوصی به نام «clean room» صورت می‌گیرد. این فضاها، اتاق‌هایی با طراحی ویژه دارای فیلترهای هوای بسیار کارآمد با قابلیت تعویض کامل هوای اتاق به مقدار ۱۰ بار در دقیقه، و اثاثیه‌ی مخصوص هستند. همچنین برای پیشگیری بیشتر، افراد مشغول به کار در این اتاق‌ها، از لباس‌های مخصوصی به نام « bunny suit»، که دارای الیافی ویژه و فیلترهای مخصوص به خود هستند، استفاده می‌کنند.
تکامل مدار مجتمع
مدار مجتمع، راه دور و درازی را از زمان اولین نمونه‌ی ساخته‌شده توسط جک کیلبی تا کنون طی کرده است. ایدهی وی باعث شکل‌گیری صنعتی جدیدو عنصر اصلی برای ایجاد جامعه‌ی ماشینی شد. امروزه عموم مدارهای پیشرفته شامل چندین هزار میلیون جزء، در مساحتی کوچکتر از یک ناخن هستند. ترانزیستورهای موجود در این تراشه‌ها اندازه‌ای حدود ۹۰ نانومتر یا ۰/۰۰۰۰۹ میلی متر دارند. این اندازه به این معنی است که هزاران عدد از این ترانزیستورها درون یک سلول گلبول قرمز جا می‌گیرند.
هر ساله، تراشه‌های کامپیوتری در مقایسه با نمونه‌های قبلی، قوی‌تر و در حین حال ارزان‌تر می‌شوند؛ به طوری که گوردون مور (Gordon Moore) که از پیشگامان تولید مدارهای مجتمع و بنیانگذاران شرکت اینتل است، در این‌باره گفته است:
اگر سرعت پیشرفت در صنعت خودرو،همانند صنعت نیمه‌رسانا بود، یک Rolls Royce می‌توانست مسافتی معادل ۰.۵ میلیون مایل را به ازای یک گالن سوخت بپیماید؛ و در عین حال، هزینه‌ی بیرون انداختن آن، از پارک‌کردنش کمتر بود.
