Co układy scalone zastąpiły 

• Lampy próżniowe – ogromne, energochłonne, wymagające wysokich napięć elementy stosowane w pierwszych komputerach i wzmacniaczach radiowych.
• Dyskretne tranzystory i pasywne komponenty – każdy układ logiczny czy wzmacniacz składał się z osobnych tranzystorów, rezystorów i kondensatorów, co znacząco zwiększało rozmiary, ciężar i awaryjność urządzeń.
• Moduły hybrydowe – złożone płytki z kilkoma połączonymi elementami, ale wciąż znacznie większe i droższe niż nowoczesne chipy.

Historia układów scalonych 

1. 1958–1959: Jack Kilby (TI) i Robert Noyce (Fairchild) równocześnie prezentują pierwsze eksperymentalne chipy.
2. Lata 60.: rozwój fotolitografii i układów TTL (Transistor–Transistor Logic).
3. Lata 70.: SSI (Small-Scale Integration) i MSI (Medium-Scale Integration) – pojawiają się proste mikroprocesory.
4. Lata 80.: LSI (Large-Scale Integration) i VLSI (Very-Large-Scale Integration) – miliony tranzystorów na jednym chipie.
5. Od 2000.: ULSI (Ultra-Large-Scale Integration) i SoC (System on Chip) – całe systemy (CPU, GPU, pamięć, interfejsy) w jednej obudowie.

Pierwszy mikroprocesor

• Intel 4004 (1971)
  • opracowany przez Federico Faggin, Marciana Hoffa i Stanleya Mazora, w Intelu;
  • 4-bitowa jednostka sterująca, 2 300 tranzystorów, taktowanie do 740 kHz;
  • umożliwił sterowanie kalkulatorami pierwszej generacji (Busicom), dowodząc wykonalności koncepcji „procesor w układzie scalonym”.
• Znaczenie
  • utorował drogę rozwojowi mikroprocesorów ogólnego przeznaczenia;
  • rozpoczął erę komputerów osobistych i wbudowanych systemów cyfrowych;
  • zainicjował seryjną produkcję jednostek centralnych o rosnącej funkcjonalności i wydajności.

Prawo Moore’a 

• Geneza: W 1965 r. Gordon Moore (Intel) zaobserwował, że liczba tranzystorów na chipie podwaja się co około 18–24 miesiące.
• Skutki: Wytyczyło harmonogram rozwoju kolejnych procesów litograficznych (od 10 μm do 2 nm i dalej), przyspieszając miniaturyzację i optymalizację materiałów.
• Wyzwania: Fizyczne ograniczenia (kwantowe zjawiska, wydzielanie ciepła) skłaniają do nowych architektur (FinFET, GAAFET, 3D-stacking) oraz heterogenicznej integracji.

Budowa i zasada działania 

1. Substrat krzemowy – czysty wafer, na którym rosną warstwy półprzewodnikowe.
2. Fotolitografia – nanoszenie światłoczułego resistu, precyzyjne naświetlanie przez maski, trawienie nadmiaru materiału.
3. Domieszkowanie – implantacja jonowa, formowanie obszarów P- i N- typu.
4. Metalizacja – nanoszenie warstw metalu i tworzenie wielowarstwowych połączeń między tranzystorami.

Klasyfikacja i typy układów scalonych 

• Analogowe: wzmacniacze operacyjne, regulatory napięcia, przetworniki sygnału.
• Cyfrowe: bramki, liczniki, mikroprocesory, pamięci.
• Mixed-Signal: przetworniki A/C i C/A, układy komunikacyjne.
• SoC: kompletny system — CPU, GPU, DSP, kontrolery i pamięci w jednym chipie.

Znaczenie w teleinformatyce 

• Miniaturyzacja urządzeń — od gigantycznych centrów danych do wielkości paznokcia modułów IoT.
• Wydajność chmur obliczeniowych — rosnące gęstości tranzystorów pozwalają na skalowanie mocy obliczeniowej serwerów.
• Energooszczędność — kluczowa w urządzeniach mobilnych i brzegowych (edge computing).

Znaczenie układów scalonych dla rozwoju sztucznej inteligencji 

• Specjalizowane akceleratory
  • GPU – tysiące rdzeni SIMD przyspieszają trening głębokich sieci neuronowych.
  • TPU i ASIC – zoptymalizowane pod operacje macierzowe i niskie opóźnienia inferencji.
  • FPGA – rekonfigurowalne platformy dla niestandardowych projektów.
• Heterogeniczne systemy
  • SoC łączące CPU, GPU, DSP i kontrolery pamięci w jednym chipie zmniejszają opóźnienia komunikacji.
  • Compute-in-memory – obliczenia blisko lub wewnątrz pamięci, redukujące wąskie gardła transferu danych.
• Edge AI
  • Energooszczędne NPU w urządzeniach mobilnych i sensorach pozwalają na lokalne przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym.
• Neuromorficzne układy
  • Architektury wzorowane na mózgu (spiking neural networks) oferują wysoką efektywność energetyczną w zadaniach rozpoznawania wzorców.

Podsumowanie