Introdução aos circuitos integrados
O circuito integrado, também conhecido como IC ou microchip, é uma das grandes invenções do século XXI. Quase todos os produtos eletrônicos que usamos hoje contêm chips integrados. Então, você sabe quem é o verdadeiro inventor do IC?
O inventor dos circuitos integrados
Visão geral de Jack Kilby
- Em 1923, Kilby nasceu no Missouri, EUA.
- Em 1947, Kilby formou-se na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
- Em 1958, Kilby ingressou na Texas Instruments Semiconductor Corporation.
- Em 1958, Kilby inventou o primeiro circuito integrado da história da humanidade.
- Em 2000, Kilby recebeu o Prêmio Nobel de Física pela invenção do circuito integrado.
- Em 2005, Kilby morreu de câncer em Dallas, Texas, aos 81 anos.
O primeiro IC de germânio - 1958
Como mencionado acima, Kilby ingressou na Texas Instruments Semiconductor em 1958.
Naquela época, a Texas Instruments e o Corpo de Comunicações dos Estados Unidos estavam trabalhando juntos em um projeto chamado Micromodule Initiative (Micromodule). O objetivo da pesquisa desse projeto era unificar o tamanho e a forma dos componentes eletrônicos de PCB, como transistores, resistores e capacitores, a fim de padronizar o processo de interconexão, reduzir o espaço do circuito e diminuir a dificuldade e a taxa de erros da soldagem.
Kilby não achava que a ideia de um projeto de micromódulo fazia sentido, então começou a trabalhar em uma solução melhor.
No início, Kilby concebeu uma substituição. Como resultado, após uma análise de custos, descobriu-se que o custo era muito alto para ser produzido em massa. Então, ele entrou em um dilema de pesquisa.
Em agosto de 1958, a situação mudou para melhor. Inspirado pelo renomado cientista Geoffrey Dummer, do Royal Radar Institute, Kilby descobriu que microcircuitos extremamente pequenos, compostos por muitos dispositivos, podiam ser fabricados em um único chip. Em outras palavras, diferentes dispositivos eletrônicos, como resistores, capacitores, diodos e transistores, podem ser fabricados em chips de silício e conectados com fios finos.
Essa ideia incrível o deixou muito animado. Naquele dia, ele registrou seus pensamentos em detalhes em seu caderno e até concebeu um processo de circuito completo, escrevendo cinco páginas inteiras.
Imediatamente após as férias, Kilby relatou sua ideia ao seu líder direto, Willis Adcock (então diretor de desenvolvimento da Texas Instruments). Ele propôs que poderia fazer um circuito de disparo para verificação.
A primeira reação de Willis Adcock foi que o plano era um pouco complicado e pouco confiável. No entanto, após muita deliberação, ele relutantemente concordou com a sugestão de Kilby.
Então, Kilby começou a implementar seu plano. Inicialmente, Kilby planejava usar "silício" como substrato para fazer circuitos. Em agosto de 1958, ele fez transistores de junção, resistores e capacitores de silício (Si), mas não havia como integrá-los. Em setembro de 1958, ele passou a fabricar um circuito integrado de germânio (Ge) com apenas 7/16 polegadas por 1/16 polegadas de tamanho. O circuito é um oscilador de transistor único com feedback RC, e tudo é colado a uma lâmina de vidro e parece muito rudimentar. Os componentes do circuito são conectados por fios finos e desorganizados.
Testemunhado por colegas, Kilby conectou dez volts à entrada e o osciloscópio à saída. No momento após a conexão, uma forma de onda oscilante com frequência de 1,2 MHz e amplitude de 0,2 volts apareceu no osciloscópio.
Kilby teve sucesso e criou o primeiro circuito integrado do mundo feito de um único material. A função desse dispositivo é muito simples: gerar uma onda senoidal.
Curiosamente, o primeiro chip usava germânio em vez de silício. No início, a indústria decidiu que simplesmente não valia a pena. Apenas as Forças Armadas dos EUA se interessaram por esse conceito. Ele mesmo disse: "Na época, era apenas um tema de entretenimento em conferências de tecnologia. Mas, felizmente, as Forças Armadas dos EUA apoiaram a ideia.
Em 6 de fevereiro de 1959, a Texas Instruments e Kilby entraram com um pedido de patente no Escritório de Patentes dos Estados Unidos. No documento, Kilby descreve seu novo dispositivo como "um material semicondutor… No qual todos os componentes do circuito eletrônico são totalmente integrados".
Em 6 de março de 1959, a Sociedade Americana de Engenheiros de Rádio (posteriormente IEEE) realizou sua reunião anual em Nova York. A Texas Instruments realizou uma conferência de imprensa de alto nível no prestigioso Waldorf Astoria Hotel para apresentar oficialmente a invenção de Kilby.
Mark Shepherd, então chefe da divisão de semicondutores da Texas Instruments (posteriormente presidente da Texas Instruments), disse em uma coletiva de imprensa: "Esta é a invenção mais importante desde que a Texas Instruments anunciou sua entrada no mercado de transistores".
O primeiro circuito integrado de silício - 1959
Ao mesmo tempo em que Kilby inventou o circuito integrado, outro homem também fez uma descoberta revolucionária no campo dos circuitos integrados. Essa pessoa é Robert Norton Noyce, da Fairchild Semiconductor. Ele também foi um dos fundadores da Intel.
Esse processo consiste em adicionar uma camada de óxido de silício à pastilha de silício como camada isolante. Em seguida, são feitos furos nessa camada de sílica isolante e dispositivos feitos com tecnologia de difusão de silício são conectados ao filme de alumínio.
O nascimento da tecnologia planar permitiu à Fairchild fabricar transistores de silício de alto desempenho e tamanho extremamente pequeno, além de possibilitar a conexão de dispositivos em circuitos integrados.
Em 23 de janeiro de 1959, Noyce escreveu em suas notas de trabalho: "Fabricar vários dispositivos na mesma pastilha de silício e uni-los usando um processo planar pode produzir circuitos eletrônicos multifuncionais." Essa tecnologia pode reduzir o tamanho, o peso e o custo dos circuitos.
Noyce ficou chocado com o anúncio da invenção de Kilby pela Texas Instruments. Noyce lamentou não ter agido com rapidez suficiente. Por outro lado, ele descobriu que a invenção de Kilby era, na verdade, profundamente falha.
Os circuitos integrados de Kilby eram conectados por fios voadores, que não podiam ser produzidos em massa e careciam de valor prático.
A ideia de Noyce é fazer placas negativas de todos os circuitos e componentes individuais de um dispositivo eletrônico e, em seguida, gravá-las em pastilhas de silício. Uma vez esculpida a pastilha de silício, todo o circuito pode ser usado diretamente para montar o produto. Além disso, o método de deposição evaporativa de metal pode substituir o fio de soldagem térmica, eliminando completamente o fio voador.
Em 30 de julho de 1959, Noyce solicitou uma patente com base em sua ideia: "Dispositivos semicondutores – estrutura de fios".
Uso comercial de ICs
Em março de 1960, a Texas Instruments lançou oficialmente o primeiro produto comercial de circuito integrado do mundo, o flip-flop binário multirressonante biestável de silício 502, baseado no projeto de Jack Kilby, com um preço de venda de US$ 450. Este é o primeiro chip comercial desenvolvido pela TI. A estrutura interna do chip é mostrada na figura abaixo:
A figura a seguir é um diagrama esquemático disso. Pode-se observar que a estrutura desse chip é muito simples, incluindo dois transistores, quatro diodos, seis resistores e dois capacitores.
Em 1961, a Fairchild Semiconductor lançou o primeiro circuito integrado comercial. Desde então, todos os computadores, particularmente as placas-mãe, passaram a usar chips integrados em vez de circuitos transistores discretos.
Após o nascimento dos circuitos integrados, eles foram usados pela primeira vez no campo militar (que era o período mais sensível da Guerra Fria). Em 1961, a Força Aérea dos Estados Unidos usou pela primeira vez circuitos integrados feitos de pastilhas de silício e, em 1962, eles foram instalados no ICBM Zouave.
O sucesso das aplicações militares levou à expansão do mercado civil. Em 1964, a Zenith utilizou circuitos integrados em aparelhos auditivos, sendo esta a primeira vez que os circuitos integrados foram utilizados no campo civil. Desde então, o custo dos circuitos integrados diminuiu gradualmente, o processo foi continuamente aperfeiçoado e foi gradualmente aceite pela indústria.
Em 1967, a equipe de Kilby concluiu com sucesso o desenvolvimento de uma nova calculadora miniatura, a primeira calculadora eletrônica portátil do mundo, a Pocketronic.
Em 1970, a Intel lançou o primeiro circuito integrado DRAM (Dynamic Random Access Memory) do mundo, o 1103.
Em 1971, a Intel lançou o primeiro chip de computação programável do mundo, incluindo uma unidade de computação e um controlador – o Intel 4004. Com 2300 transistores, o Intel 4004 foi o primeiro microprocessador do mundo. Seu nascimento deu início à era dos microcomputadores.
Disputa de patente entre Kilby e Noyce
Para ser honesto, a invenção de Noyce está mais próxima do circuito integrado no sentido moderno. O projeto de Neuss é baseado em um processo planar de substrato de silício, enquanto o projeto de Kilby é baseado em um processo de difusão de substrato de germânio. Contando com as vantagens da tecnologia de silício da Fairchild, o circuito de Neuss é realmente mais avançado do que o de Kilby.
No entanto, os circuitos integrados híbridos de Kilby já apresentavam as características dos circuitos integrados e foram utilizados mais cedo.
Como resultado, a Texas Instruments de Kilby e a Fairchild Semiconductor de Noyce iniciaram uma guerra acirrada por patentes.
Sobre o processo, Kilby disse: "Ninguém suspeitaria que eu fui o primeiro a fabricar circuitos integrados. O Dr. Noyce foi o primeiro a fazer o que eu queria fazer: usar metal evaporado para fazer fios entre dispositivos. A abordagem do Dr. Noyce é muito diferente da minha. Ele disse que simpatizava comigo como co-inventor, mas eu não achava isso.
Tribunal Federal dos EUA concede indenização ao inventor dos circuitos integrados
Em 1966, o tribunal finalmente concedeu a Kilby a invenção dos circuitos integrados (circuitos integrados híbridos), juntamente com os direitos de invenção do processo de embalagem e fabricação de circuitos integrados que é popular hoje em dia concedido a Noyce.
Kilby é conhecido como "o inventor do primeiro circuito integrado", enquanto Noyce foi aquele que "criou a teoria dos circuitos integrados adequados para a produção industrial".
Nesse mesmo ano, a Texas Instruments e a Fairchild celebraram um acordo de licenciamento cruzado para compartilhar patentes de circuitos integrados.
Em 1969, um tribunal federal dos EUA decidiu que as patentes de circuitos integrados solicitadas pelos dois eram invenções independentes paralelas.
No total, Jack Kilby solicitou mais de sessenta patentes de invenção. Ele recebeu a Medalha Americana de Ciência em 1970.
Robert Noyce, cuja invenção detém mais de 16 patentes, fundou a Intel Semiconductor, que mais tarde fabricou o primeiro microprocessador.
