الدوائر المتكاملة Integrated Circuits (ICs) في العصر الحديث هي حجر الأساس لمعظم الأجهزة الاكترونية والكهربائية، والسبب يعود لكفاءة هذا النوع من الدوائر الإلكترونية مقارنة بالدوائر الإلكترونية المنفصلة Discrete Circuits، حيث أنها أصغر حجما وأقل استهلاكا للطاقة، بالإضافة الى سرعتها في معالجة البيانات وانخفاض تكلفتها. محور هذا المقال هو تطور هذه الدوائر الإلكترونية حسب حجمها وعددها، من كونها قطع منفصلة كبيرة وبأعداد بسيطة وحتى وصولها للأحجام الذرية وبأعدادها الفلكية.
ماذا يقصد بالدوائر المتكاملة وكيف تختلف عن الدوائر المنفصلة؟
قبل الخوض في رحلة تطور هذه الدوائر، من المهم معرفة أنواع الدوائر الإلكترونية من حيث الهيكلة أو التكاملية، هناك نوعان رئيسيان وهما الدوائر المنفصل والدوائر المتكاملة، فأما الدوائر المنفصلة فهي دوائر تحتوي على قطع الكترونية منفصلة واضحة المعالم، فيمكن تحديد مكان القطع الالكترونية (مثل الترانسيستور والمقاومة والمكثف) بدقة. على عكس الدوائر المتكاملة والتي لا يمكن تحديد قطعها الالكترونية وفصلها، بل تأتي كحزمة واحدة صغيرة تحوي عادة الكثير من القطع الالكترونية. الصورة في الأسفل توضح الفرق بين هذين النوعين.
مصدر: elprocus.com
يمكن بوضوح تحديد أماكن المقاومات والترانسيستورات على سبيل المثال في الصورة التي في اليسار، بينما في الصورة التي على اليمين فالمقاومات وغيرها من القطع الإلكترونية متكاملة داخل هذه الرقاقات بحيث يستحيل تحديد مختلف أنواع القطع الالكترونية التي تحويها بسهولة.
من الجدير بالذكر أن في هذا المقال سيتم ذكر عدد الترانسيستورات بشكل خاص وعدم ذكر القطع الالكترونية الأخرى؛ وذلك بسبب أن الترانسيستور هو العنصر الحي والأهم -غالبا- لقياس أداء وسرعة الدائرة الالكترونية.
مستويات تكامل الدوائر المتكاملة
1- التكامل صغير النطاق Small-Scale Integration (SSI)
هذا النوع هو الأقدم، حيث يمثل المرحلة الأولى في تطور الإلكترونيات المتكاملة، وقد ظهر في خمسينات وستينيات القرن الماضي.
يحتوي هذا النوع على قطع الكترونية لا يتجاوز عددها 100 قطعة كالترانسيستورات والمقاومات وغالبا ما يستخدم في البوابات المنطقية وبعض التطبيقات البسيطة الأخرى مثل Multiplexers. من أشهر الأمثلة في هذا النطاق هي احدى دوائر سلسلة 7400 الخاصة ببوابات NAND وتحتوي على 16 ترانسيستور. كذلك رقاقة التكبير الشهيرة 741 Op-Amp والتي تحتوي تقريبا على 20 ترانسيستور. والرقاقة الأكثر مبيعا في التاريخ، رقاقة المؤقت 555 Timer بحاولي 25 ترانسيستور.
هذا الجيل من الدوائر المتكاملة نادر الاستخدام هذا اليوم في الصناعات، وغالبا ما يقتصر استخدامه في التعليم والمشاريع البسيطة.
مصدر: edwardbosworth.com
2- التكامل متوسط النطاق Medium-Scale Integration (MSI)
تأتي الدوائر متوسطة النطاق بمكونات الكترونية تتراوح بين 100 و 1000 مكون، ويستخدم للدوائر ببوابات منطقية أكثر تعقيدا من الجيل السابق، من أمثلة هذا الجيل هي بعض الدوائر الالكترونية المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر قديما مثل وحدة الحساب والمنطق ALU، كان يستخدم كذلك في بعض الحاسبات والساعات الذكية القديمة.
هذا الجيل أيضا لم يعد يستخدم في العصر الحديث باستثناء قلة من الأنظمة المدمجة القديمة في بعض المنظمات وبعض من أنظمة التحكم البسيطة والقديمة.
مصدر: electronics.stackexchange.com
3- التكامل كبير النطاق Large-Scale Integration (LSI)
يتكون هذا الجيل من 1000 الى 10000 قطعة الكترونية مدمجة في رقاقة صغيرة، وكان يستخدم عادة في دوائر الذاكرة والمعالجات القديمة، مثل معالج Intel 8080 حيث كان يحتوي على 6000 ترانسيستور تقريبا. وكذلك معالج Motorola 6800 والذي كان يعمل على 4100 ترانسيستور.
هذا الجيل لم يعد يستخدم لظهور الجيل الذي يليه، حيث تفوق عليه في جميع النواحي تقريبا.
مصدر:wikipedia.org
4- التكامل على نطاق كبير جدا Very Large-Scale Integration (VLSI)
هذا الجيل والذي كثيرا ما يتم تداوله بإسمه المختصر VLSI هو جيل حديث نسبيا، وتحتوي دوائره بين 10000 ومليون قطعة الكترونية في قطعة صغيرة. من أمثلة هذا الجيل المعالج الشهير Intel 8086 من شركة انتل والذي ظهر عام 1978 ويتكون من 134 الف ترانسيستور، ومعالج Intel 80386 والذي ظهر عام 1985 بعدد يقارب 275 ألف ترانسيستور.
هذا النوع ما زال يستخدم في كثير من الأجهزة الحالية وخصوصا في الأجهزة الاستهلاكية البسيطة، رغم أنه لم يعد يستخدم في المعالجات الحديثة.
مصدر:wikipedia.org
5- التكامل فائق النطاق Ultra Large-Scale Integration (ULSI)
جيل ULSI او التكامل فائق النطاق يعتبر الجيل الأحدث، ويتكون من بضعة ملايين وحتى مليارات المكونات الالكترونية جميعها متكاملة في رقاقة صغيرة ونحيلة جدا لا يتجاوز أبعادها بضعة مليمترات. أشهر وأقوى المعالجات يندرج تحت هذا التصنيف، وهذا يشمل معالجات انتل i7 في أجيالها الأولى والتي احتوت على اكثر من 700 مليون ترانسيستور، وكذلك كرت الشاشة Nvidia B100 من انفيديا بعدد ترانسيستورات خيالي تجاوز 200 مليار ترانسيستور، ومعالج M2 Ultra من أبل بعدد 134 مليار ترانسيستور والذي يصنف بأنه أعلى عدد ترانسيستور في معالج دقيق على الاطلاق، أما اكثرها عددا من ناحية الترانسيستورات فهي ذاكرة تخزين من شركة Micron بإسم V-NAND Module بعدد 5.3 ترليون ترانسيستور.
هذا الجيل ازداد عليه الطلب في الآونة الأخيرة بسبب ظهور الذكاء الاصطناعي ومجالاته، والتي تتطلب الكثير من العمليات الحسابية المكثفة.
مصدر: tomshardware.com
مصدر: FiberMall.com
الختام
مما يمكن رؤيته، التطور في مجال الترانسيستورات متسارع جدا، ففي بادئ الأمر كانت الرقاقات المتكاملة تتكون من عدة ترانسيستورات وقطع الكترونية اخرى، ولكن في بضعة عقود ليست بكثيرة، تجاوز عدد الترانسيستورات المليارات ووصل أكثر من ترليون ترانسيستور في بعض الحالات، رغم أن التطور سريع جدا، وهذا ما تنبئ به مور بقانونه الشهير Moore’s Law والذي استنتجه من بيانات سابقة، وينص على أن عدد الترانسيستورات يتضاعف كل سنتين تقريبا، الا أن الحدود الكمية التي يواجهها هذا المجال بسبب الحجم الصغير جدا (تحت الذري) الذي وصل اليه حجم الترانسيستور قد يعيق التطور المعتاد في العقود الأخيرة المنصرمة، ومن ناحية أخرى، هذه العوائق الكمية قد تكون فرصة لبروز مجال الالكترونيات الكمية والحوسبة الكمية، والتي قد توسع مجالا لتطور كبير أكبر مما عهدناه بالالكترونيات المتكاملة التقليدية.
المراجع
- worldradiohistory.com/uk/bernards-and-babani/bernards/babani-58-50-circuits-using-7400-ics.pdf
- https://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier
- https://en.wikipedia.org/wiki/555_timer_IC#:~:text=Depending%20on%20the%20manufacturer%2C%20the,package%20(DIP%2D8).
- devx.com
- https://en.wikipedia.org/wiki/Motorola_6800
- https://www.computerhistory.org/revolution/story/330#:~:text=80386%20microprocessor%2C%20Intel%2C%201985,Minimum%20feature%20size%3A%201%20%C2%B5.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count
- https://electronics.stackexchange.com/questions/160687/what-are-some-examples-of-msi-medium-scale-integration-circuits-that-are-used
- https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8080
- https://www.fibermall.com/ar/blog/nvidia-b100.htm
- https://www.tomshardware.com/news/apple-m2-ultra-geekbenched
