ریز تراشه یا به بیان دیگر IC قطعه‌ای فشرده می‌باشد که از مدارهای الکترونیکی تشکیل شده است. در صورتی که می‌توانید یک ریزتراشه را با یک دستگاه میکروسکوپی مشاهده کنید، مدارهای پیچیده و منظمی را درون آن خواهید دید. که برای طراحی هر بخش آن ماه‌ها و سال‌ها زمان صرف شده است. ریزتراشهها بخش الزامی از دنیای پیشرفته امروزی به شمار می‌روند که در صورت نبود آن‌ها یا کمبود عرضه، دنیای امروزی با مشکلات زیادی مواجه خواهد شد. در سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل توجهی در زمینه فناوری ریزتراشهها به وجود آمده است.
ریز تراشه چیست؟
ریزتراشه، تراشه کامپیوتری یا مدار مجتمع (IC) نیز نامیده میشود – واحدی از مدارهای مجتمع است که در مقیاس میکروسکوپی با استفاده از مواد نیمه رسانا مانند: سیلیکون یا تا حدی ژرمانیوم ساخته میشود. اجزای الکترونیکی مانند: ترانزیستورها و مقاومت‌ها، به همراه اتصالات پیچیده‌ای که اجزا را به یکدیگر متصل و جریان سیگنال‌های الکتریکی را تسهیل می‌کند، به صورت لایه‌ای در مواد حک می‌شوند.
اجزای ریزتراشه آنقدر کوچک هستند که در نانومتر (nm) اندازه گیری می‌شوند. برخی از قطعات اکنون زیر 10 نانومتر هستند و این امکان را فراهم می‌کند که میلیاردها مولفه را روی یک تراشه قرار دهید. در سال 2021، IBM یک ریز تراشه مبتنی بر فناوری 2 نانومتری، کوچک‌تر از عرض یک رشته DNA انسانی معرفی کرد. نانومتر یک میلیاردم متر یا یک میلیونم میلی متر است. در این مقیاس، می‌توان تا 50 میلیارد ترانزیستور را روی یک ریزتراشه به اندازه یک ناخن جای داد.
ریزتراشه ها چگونه ساخته می‌شوند؟
تولیدکنندگان ریزتراشه برای چیپ‌های خود به سیلیکون متکی هستند زیرا فراوان، ارزان و کار کردن با آن آسان است. همچنین، ثابت کرده است که نیمه هادی قابل اعتمادی در دستگاه‌های مختلف می‌باشد. با این حال، سیلیکون ممکن است به محدودیت‌های عملی خود برسد زیرا فناوری‌های ریزتراشه کوچک‌تر می‌شوند و اجزای بیشتری در ریزتراشه فشرده می‌شوند تا نیازهای روزافزون برای عملکرد بیشتر و داده‌های بیشتر را برآورده کنند. محققان فعالانه روی راه حل‌های مختلفی کار میکنند که امیدوارند بتوانند وسایل الکترونیکی را به آینده منتقل کنند.
اجزای مهم در ساخت ریز تراشه
- ترانزیستورها: ترانزیستورها اجزای فعالی هستند که سیگنال‌های الکتریکی را در مدار کنترل، تولید یا تقویت و به عنوان یک کلید یا دروازه عمل میکنند. چندین ترانزیستور را می‌توان در یک گیت منطقی ترکیب کرد که جریان‌های ورودی را با هم مقایسه؛ و یک خروجی را مطابق منطق مشخص شده تولید می‌کند.
- Resistances: مقاومت‌ها اجزای غیر فعالی هستند که جریان الکتریکی را محدود یا تنظیم میکنند یا ولتاژ خاصی را برای یک دستگاه فعال فراهم میکنند. مقاومت‌ها سیگنال‌های الکتریکی را بین ترانزیستورها حرکت کنترل میکنند.
- Capacitors: خازن‌ها اجزای غیرفعال هستند که الکتریسیته را به صورت میدان الکترواستاتیک ذخیره و جریان الکتریکی را آزاد میکنند. خازن‌ها اغلب همراه با ترانزیستورها در رم پویا (DRAM) برای کمک به حفظ داده‌های ذخیره شده استفاده می‌شوند.
- Diodes: دیودها اجزای تخصصی با دو گره هستند که جریان الکتریکی را فقط در یک جهت هدایت میکنند. یک دیود می‌تواند جریان الکتریکی را مجاز یا مسدود کند و می‌تواند برای نقش‌های مختلف مانند: کلیدها، rectifier، تنظیم کننده‌های ولتاژ یا تعدیل کننده‌های سیگنال استفاده شود.
انواع و کاربرد ریزتراشه ها چیست؟
ریزتراشهها تمام وسایل الکترونیکی امروزی را هدایت میکنند. این‌ها نه تنها شامل رایانه‌ها می‌شوند، بلکه تلفنهای هوشمند، سوئیچهای شبکه، لوازم خانگی، قطعات خودرو و هواپیما، تلویزیون‌ها و تقویت‌کننده‌ها، دستگاه‌های اینترنت اشیا و سیستم‌های الکترونیکی بی‌شماری دیگر را نیز شامل میشود. ریزتراشهها به طور کلی در یکی از دو دسته زیر قرار می گیرند:
منطقی: این نوع ریزتراشه تمام کارهای سنگین را انجام میدهد، دستورالعمل‌ها و داده‌هایی را که به دستگاه و متعاقبا به تراشه موجود در آن دستگاه داده میشود، پردازش می‌کند. رایجترین و پرکاربردترین نوع ریز تراشه منطقی واحد پردازش مرکزی (CPU) است. با این حال، این دسته همچنین شامل تراشههای تخصصیتر، مانند: واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) و پردازنده های شبکه عصبی میشود.
نقش CPU و GPU در ریز تراشه
Memory ریزتراشه داده‌ها را ذخیره می‌کند. ذخیره سازی داده‌ها فرار یا غیر فرار است. تراشههای حافظه فرار برای حفظ اطلاعات خود به منبع انرژی ثابت نیاز دارند. DRAM یک نمونه رایج از تراشههای حافظه فرار است. یک تراشه غیر فرار تراشه‌ای است که می‌تواند داده‌ها را حفظ کند حتی اگر منبع تغذیه مختل شود. یک مثال خوب از حافظه‌های غیر فرار فلش NAND است. دستگاه‌های حافظه فرار نسبت به دستگاه‌های غیر فرار بسیار بهتر عمل میکنند. اگر چه تلاش‌های زیادی برای پر کردن شکاف بین این دو، مانند: حافظه کلاس ذخیره سازی، در حال انجام است. ریزتراشه‌های منطقی شامل واحد پردازش مرکزی (CPU)، دسته‌ای از مدارهای مجتمع است که شامل تراشههای تخصصیتر، مانند: واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) و پردازنده‌های شبکه عصبی است.
اگر چه بسیاری از ریزتراشهها فقط بر روی منطق یا حافظه تمرکز میکنند، انواع دیگر تراشه‌ها هر دو را همراه با قابلیت‌های دیگر در خود جای داده‌اند. به عنوان مثال: آی سی‌های سیستم روی یک تراشه (SoC) در حال حاضر به طور گسترده در دستگاه‌هایی مانند: گوشی‌های هوشمند و فناوری‌های پوشیدنی استفاده می‌شوند. و شروع به پیشرفت در بازار رایانه کرده‌اند، همانطور که سری تراشههای سیلیکونی اپل نشان میدهد. مثال دیگر IC مخصوص برنامه است که می‌تواند شامل منطق، حافظه و سایر قابلیت‌ها نیز باشد، بسیار شبیه به تراشه SoC، با این تفاوت که تراشه ASIC برای یک هدف خاص مانند: تجهیزات پزشکی یا یک قطعه خودرو سفارشی شده است.
شرکت‌های پیشرو در ساخت ریز تراشه
شرکت‌هایی مانند: اینتل و AMD ساخت ریزتراشهها را دنبال میکنند که می‌توان حوزه فعالیت آن‌ها را در یک بخش خاص دانست. به عنوان مثال: شرکتی مانند کوالکام بیشتر روی طراحی و توسعه میکروچیپ‌های دستگاه‌های قابل حمل و موبایلی تمرکز دارد و بخش بزرگی از این نوع ریزتراشهها را تولید کرده و در اختیار شرکت‌های تولید تلفن همراه قرار میدهد. شرکتی مانند NVIDIA تمرکز زیادی روی طراحی چیپ‌های پردازشگر گرافیکی دارد و اخیرا نیز به دنبال ورود به بازار پردازنده‌های موبایلی است. در هر یک از این شرکت‌ها بخش‌های تحقیق و توسعه و پیاده سازی وجود دارد که مهندسان الکترونیک، مکانیک و شیمی دخیل هستند. تا یک ریزتراشه قدرتمند و پر سرعت در اختیار شما قرار بگیرد و سالیان سال با عملکرد خوب کار کند.
نتیجه گیری
تراشه یا ریزتراشه مجموعه‌ای از مدارات الکترونیکی است که با استفاده از مواد نیمه رسانا در ابعادی کوچک (معمولا کمتر از یک سانتی متر مربع) ساخته میشود. بعضی از ریزتراشهها با سیگنال‌های آنالوگ و بعضی‌های دیگر با سیگنال‌های دیجیتال کار میکنند. ریزتراشهها در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی و به ویژه در رایانه‌ها در ابعاد گسترده به کار می‌روند. هر ریزتراشه، وظیفه یا وظایف خاصی را در مدار انجام میدهد. بنابراین در صورت نبود ریز تراشه‌ها مشکلات زیادی ایجاد خواهد شد به عنوان نمونه شرکت‌های مختلفی نمی‌توانند خدمات خود را به مشتریان ارائه دهند.
