Занятие 7. Большие интегральные схемы

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить проблемы повышения степени интеграции, базовые матричные кристаллы.

2. Совершенствовать умение выделять главное для качественного конспектирования учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление, формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции:

Материальное обеспечение:

1. Набор БИС.

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.431-433.

2. И.П.Степаненко, "Основы микроэлектроники", с.453-460.

3. В.А.Батушев, "ЭЭВТС", с.308-314.

Вводная часть

Тенденция к повышению степени интеграции наблюдалась с самого зарождения микроэлектроники. Сначала в каждом корпусе размещались отдельные интегральные логические элементы. Затем, увеличив количество выводов, стали размещать несколько интегральных логических элементов в одном корпусе. Это позволило сократить общее количество корпусов в аппаратуре, но не привело к какому-либо новому этапу в развитии ИС. Качественно новый этап начался лишь после того, как простые ИС, расположенные на одном кристалле, стали объединять в сложные функциональные комплексы путем металлической разводки – так же, как в самих ИС объединяются отдельные элементы. На этом этапе появились сначала средние, а затем большие интегральные схемы и сверхбольшие интегральные схемы. Можно сказать, что в основе БИС лежит интеграция простых ИС.

Использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненных на отдельных ИС. Действительно, интеграция ИС на одном кристалле приводит к уменьшению количества корпусов, числа сборочных и монтажных операций, количества внешних – наименее надежных – соединений. Все это способствует уменьшению размеров, массы, стоимости и повышению надежности. Но при этом возникает ряд проблем, которые будут рассмотрены ниже.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Проблемы повышения степени интеграции

Опыт разработки больших интегральных схем (БИС) выявил ряд общих проблем, которые ограничивают повышение степени интеграции и которые, следовательно, нужно так или иначе решать в процессе дальнейшего развития микроэлектроники.

Проблема теплоотвода. При заданных размерах элементов повышение степени интеграции может достигаться увеличением плотности компоновки, т.е. сближением элементов на кристалле. При этом неизбежно возрастает удельная мощность, рассеиваемая на единице площади. При современных конструкциях кремниевых ИС допустимая удельная мощность на кристалле без дополнительного теплоотвода не превышает 5 Вт/см 2 . Значит, допустимая мощность для кристалла площадью 20 мм 2 составляет не более 1 Вт. При средней мощности 0,5 мВт, потребляемой одним интегральным логическим элементом, на указанном кристалле удастся разместить не более 2000 логических элементов.

Естественным путем для преодоления этого ограничения является использование микрорежима транзисторов и таких схем, которым микрорежим свойствен. Например, для того чтобы на той же площади 20 мм 2 разместить 10000 логических элементов нужно использовать элементы с потребляемой мощностью не более 0,1 мВт, т.е. на комплементарных транзисторах.

Конечно, может оказаться, что при данных размерах кристалла желательную степень интеграции нельзя осуществить ни на одном их имеющихся элементных базисов. Тогда приходится идти на увеличение площади ИС. В принципе этот путь открывает широкие возможности, но практически он тоже ограничен.

Ограничение накладывается неизбежными нарушениями структуры полупроводника на поверхности. А это будет означать негодность транзистора или отдельной интегральной схемы, соответственно негодной может оказаться и БИС в целом. Поэтому увеличение площади кристалла сопровождается увеличением процента брака и уменьшением процента выхода годных БИС.

Проблема межсоединений. Внутренняя структура БИС настолько сложна, что конструктор не может за разумное время спроектировать топологию (расположение) элементов и рисунок оптимальных межсоединений. Для этого нужно сравнить тысячи вариантов, и это практически можно выполнить только при использовании систем автоматического проектирования.

Опыт показывает, что в большинстве БИС не удается расположить разводку межсоединений в одной плоскости без пересечений. Поэтому для БИС характерна многослойная разводка, расположенная обычно в двух или трех плоскостях. Изоляция слоев друг от друга и необходимые соединения между разводками разных слоев представляют собой особую технологическую проблему, специфичную для БИС.

Проблема контроля параметров. Электрический контроль параметров БИС до ее помещения в корпус осуществляется с помощью электрических зондов, прижимаемых к контактным площадкам, т.е. к будущим внешним выводам. Зонды представляют собой тонкие металлические проволочки, острие которых имеет диаметр 5-10 мкм. Зонды объединяются в зондовые головки – своего рода проволочные "щетки", в которых каждый зонд соприкасается с соответствующей контактной площадкой, имеющей размеры 100´100 мкм. Количество внешних выводов у БИС значительно больше, чем у простых ИС, в силу большей сложности выполняемых функций. Оно может составлять от десятков до нескольких сотен. Если для иллюстрации принять 50 выводов и учесть, что на каждом выводе может быть два значения выходной величины (0 или 1), то для полноценной проверки функционирования БИС (только в статике) потребуется »10 15 измерений. При длительности каждого измерения 1мкс контроль одной БИС займет около 25 лет.

Следовательно, помимо автоматизации контроля, нужно упростить и его методику. По необходимости измерения должны быть выборочными: количество измерений, свидетельствующих о работоспособности БИС (с определенной вероятностью), обычно лежит в пределах 200-300.

Отбор контролируемых параметров, последовательность и правила (алгоритмы) их испытания, а также разработка соответствующей аппаратуры и программ (для использования ЭВМ) представляют нередко задачу, не менее сложную, чем проектирование самой БИС.

Физические ограничения на размеры элементов. В современных БИС размеры отдельных участков доходят до 2-5 мкм и имеется тенденция к дальнейшему уменьшению размеров. На этом пути, однако, возникают некоторые принципиальные ограничения.

Во-первых, с уменьшением площади начинает сказываться неравномерное распределение примеси в полупроводнике. Анализ показывает, что этот фактор становится существенным при размерах элементов менее 1мкм.

Во-вторых, с уменьшением линейных размеров возрастает роль технологических допусков. Так, если погрешность фотолитографии составляет ±0,2мкм, то при линейных размерах 5 мкм площади элементов будут различаться незначительно (на 20%), а при размерах 1 мкм – в 2,3 раза.

В-третьих, с уменьшением линейных размеров возрастают напряженности электрических полей в полупроводниковых слоях. При одном и том же напряжении U=0,2В напряженность поля в слое толщиной 5мкм сравнительно невелика (400В/см), а в слое толщиной 0,2мкм она составляет 10 4 В/см, т.е. превышает критическую напряженность. Соответственно полупроводниковый слой приобретает нелинейные свойства.

Таким образом, учитывая, что возможности обычной фотолитографии тоже лежат в пределах 0,7-1мкм, можно сказать что и физические и технологические аспекты делают область размеров менее 1мкм особой областью и позволяют говорить о "субмикронной микроэлектронике" как о самостоятельном научно-техническом и технологическом направлении.

Общая характеристика стратегии интегрированного роста

На практике применяются стратегии бизнеса, которые называют базисными или эталонными.

Определение 1

Базисная стратегия – это фундаментальная стратегия развития компании, определяющая рост, сокращение или фиксацию деятельности компании на прежнем уровне. Рост или сворачивание бизнеса в данном случае оценивается по показателям объема реализации товаров не в стоимостном, а в натуральном выражении.

В основе эталонных стратегий лежат пять основных элементов:

• товар;
• рынок;
• отрасль;
• позиции компании внутри отрасли;
• технология.

Одной из базисных стратегий является стратегия интегрированного роста. Она применяется в случаях, когда сильная компания стремится развиваться посредством расширения своей структуры. Это может быть внутренний рост или покупка другого бизнеса.

Определение 2

Стратегия интеграционного роста – это бизнес-стратегия, которая предполагает добавление новых структур (бизнес-единиц) с помощью приобретения собственности или расширения изнутри.

В обоих вариантах происходит изменение положения компании внутри отрасли. Также осуществляются организационные изменения на предприятии.

Различают несколько вариантов стратегии интеграционного роста:

1. стратегия обратной вертикальной интеграции;
2. стратегия вперед идущей вертикальной интеграции;
3. стратегия горизонтальной интеграции;
4. стратегия комбинированных действий по интеграции.

Стратегия обратной вертикальной интеграции

Вертикальная интеграция назад имеет место, когда компания стремится получить контроль над сырьевыми предприятиями. Такой контроль гарантирует стабильность поставок, качество и стоимость конечного изделия. Также такой подход позволяет вертикально-интегрированной корпорации повысить собственный объем прибавочной стоимости.

Стратегия обратной вертикальной интеграции или регрессивная стратегия ориентирована на рост и развитие компании за счет приобретения или усиления контроля над поставщиками.

Определение 3

Регрессивная интеграция – это получение ответа на вопрос: самостоятельно производить сырье и материалы для изготовления продукции или приобретать у поставщиков? Такая форма интеграции применяется для стабилизации или защиты стратегически важных источников снабжения и снижения зависимости предприятий от поставщиков.

Такой политика эффектная как способ борьбы с нестабильными поставками и зависимостью от крупных поставщиков. В некоторых случаях такая обратная интеграция используется компаниями, когда их поставщики не могут обеспечить достаточное качество сырья и материалов.

Преимущества стратегии интеграции назад:

• поставляемые ресурсы составляют основную часть себестоимости готового изделия компании;
• легкое освоение технологических навыков;
• объединение в большое число звеньев цепочки ценностей приводит к возможности дифференциации благодаря добавлению товару характеристик, усиливающих значимость для потребителя;
• возможность экономии на масштабах производства как у снабженческих компаний, так как требуемый объем производства слишком большой.

Стратегия вперед идущей вертикальной интеграции

Такой вид интеграции означает сокращение количества посредников между товаропроизводителем и конечным покупателем. Стратегия вперед идущей вертикальной интеграции позволяет компания перекупать посреднические фирмы, нанимать новый персонал, который будет заниматься продажами товаров. Также можно открыть фирменные торговые точки.

Замечание 1

Другое название стратегии – прогрессивная. Она выражается в росте и развитии предприятия за счет усиления контроля над бизнес-единицами, которые находятся между компанией и конечными покупателями, т. е. над системами распределения продукции.

Отсутствие контроля над продажами может привести к накоплению товарных остатков на складе, частой недозагрузке производственной мощностей. Это в свою очередь ведет к нестабильности производственного процесса и невозможности получения экономии.

Такая форма интеграции эффективна, когда на рынок перенасыщен фирмами –посредниками и компании тяжело найти надежного партнера.

Стратегия горизонтальной интеграции

Замечание 2

Стратегия горизонтальной интеграции предполагает рост и развитие компании путем присоединения конкурирующих предприятий, т. е. покупки активов организаций, которые специализируются на той же отраслевой цепочки ценностей.

Компании могут функционируют на различных рыночных нишах. При интеграции создаются новые конкурентные преимущества.

Целью горизонтальной интеграции является усиление положения предприятия в отрасли благодаря поглощению или слиянию с конкурентами или установления контроля над ними.

Причины выбора стратегии горизонтальной интеграции:

• связь горизонтального интеграции с ростом в отрасли;
• усиление конкурентного преимущества за счет экономии масштаба;
• излишек финансовых и трудовых ресурсов позволяет управлять объединением.

Преимущества стратегии горизонтальной интеграции:

1. экономия на масштабе;
2. территориальное расширение рынка;
3. минимизация риска конкурентной борьбы;
4. расширение ассортимента товаров и услуг.

Стратегия комбинированных действий по интеграции

Данная стратегия предполагает усиление контроля как над поставщиками, так и над структурами производства. Кроме этого компании совершают одновременные действия по поглощению и слиянию с конкурирующими компаниями.

Замечание 3

Комбинированные стратегии применяют обычно многоотраслевые компании. Одновременно можно реализовать несколько стратегий. Предприятия соблюдают определенную последовательность в реализации выбранных стратегий роста и развития.

Совмещение стратегий горизонтальной и вертикальной интеграции позволяет компании получить полный контроль над посредническими структурами, поставщиками и конкурентами.

В некоторых случаях комбинированную стратегию называют портфельной, так как она определяет уровень и характер инвестиционных сложений компании, устанавливает размеры инвестиций в каждую из бизнес-единиц. Это означает формирование определенного состава и структуры инвестиционного портфеля предприятия.

В российской экономике назрела смена лидера роста. Отрасли, доми­нирующие в структуре производства (ТЭК, металлургия, АПК), утрачивают свой динамизм и не смогут расти в долгосрочной перспективе темпами выше 5 процентов.

Отрасли, которые могут развиваться темпами выше 7% (пище­вая, химия, лесная, строительные материалы, часть машиностроения и высо­котехнологичные отрасли промышленности, а также строительство и связь), занимают в структуре экономики менее одной трети. Пока доля этой дина­мичной группы отраслей не станет доминирующей, российская экономика не сможет выйти на устойчивый темп роста в 7 и более процентов.

По прогнозным расчетам, необходимые изменения в структуре произ­водства могут произойти в основном на рубеже 2010-2011 годов, и только при реализации инновационно-активного сценария развития, опирающегося на развитие программного подхода к инвестиционным и инновационным проектам, а также реализации комплекса регулирующих мер по повышению конкурентоспособности и темпов роста отдельных ведущих секторов эконо­мики.

Комплекс мер включает следующие основные направления:

1. Общесистемные меры, направленные на снятие институциональных барьеров, стимулирование спроса на новую технику и технологии и ускоре­ние выбытия устаревшего оборудования;

2. Повышение эффективности действующих и формирование новых го­сударственных финансовых институтов развития, включение их ресурсов в реализацию программ развития секторов экономики.

3. Развитие программного подхода к структурным преобразованиям в экономике на основе реализации комплекса федеральных и ведомственных целевых программ.

4. Комплекс регулирующих мер по повышению конкурентоспособно­сти и темпов роста в приоритетных перспективных секторах экономики. Но­выми направлениями по развитию отраслей станут создание промышленных парков, формирование территориально-производственных кластеров, реали­зация программ содействия развитию промышленного дизайна и инжини­ринговых услуг, разработка стратегии развития ключевых секторов эконо­мики.

Стратегии включают в себя ряд национальных проектов развития, на­правленных не на решение локальных частных задач, а на структурные изме­нения в экономике, обладающие существенным макроэкономическим эффек­том и влияющие на уровень национальной конкурентоспособности и темпы роста экономики в целом.

Стратегии группируются следующим образом:

1. Стратегии развития традиционных секторов экономики, или стра­тегии повышения конкурентоспособности секторов, являющихся основой со­временного экономического роста и жизнеобеспечивающей инфраструктуры. Их вклад в прирост ВВП в 2006-2015 годах – 1,1 – 1,2% в год, понижаю­щийся к концу периода.

2. Стратегии развития инновационных секторов, или стратегии разви­тия новой экономики, определяющие переход от сырьевого к инновацион­ному развитию и формирующие новые двигатели экономического роста. Их вклад в рост ВВП по сравнению с базовым вариантом – 0,8-1,1% в год. На рубеже 2011-2015 годов потенциальный вклад в ускорение ВВП наукоемкой продукции и «экономики знаний» сравняется с вкладом традиционных сек­торов и превысит вес нефти и газа. Однако качественный вклад этой сферы значительно выше ее количественного эффекта.

3. Стратегии развития человеческого капитала: стратегия формирова­ния рынка жилья и развития жилищного строительства, стратегия развития образования, стратегия развития здравоохранения и социально-трудовой сферы. Их макроэкономический эффект во многом реализуется через отдачу других стратегий в традиционном и высокотехнологичном секторах.

Система стратегий и проектов развития не означает расширения неры­ночного сектора в экономике. Напротив, особенно в наукоемкой информаци­онной сфере, реализация стратегий связана с частным предпринимательст­вом, активным развитием рынка инноваций и наукоемкой продукции. В то же время запуск этих проектов связан с государственной организационной и финансовой поддержкой, становлением механизмов частно-государственного партнерства и работающих институтов развития.

Показатели реализации национальных проектов и стратегий отражены в табл.26.

Таблица 26

Показатели реализации национальных проектов и стратегий

(в процентных пунктах прироста ВВП в год)

В целом сектора, которые охватывают стратегии, производят около 43-44% ВВП, и в них концентрируется до 70-74% всех капиталовложений в эко­номике (при этом на государственные капиталовложения приходится около четверти всех инвестиций).

Таким образом, успех экономического роста оп­ределяется как реализацией программно-стратегического подхода к развитию ведущих секторов экономики, так и модернизацией традиционных секторов (особенно автомобилестроения, пищевой промышленности, металлургии, ле­сохимического комплекса), ведомых действием сил конкуренции и частных стратегий корпораций, поддерживаемых совершенствованием общей сис­темы государственного регулирования.

Одним из ведущих факторов роста экономики на среднесрочную пер­спективу является увеличение государственных инвестиционных расходов совершенствование структуры и качества федеральных целевых программ (ФЦП), а также развертывание системы ведомственных целевых программ (ВЦП).

Макроэкономический эффект государственных программ во многом зависит от изменения их структуры в пользу программ-локомотивов, ядра экономического роста, включающего, в первую очередь, программы, опреде­ляющие развитие высокотехнологичных секторов и транспортной инфра­структуры.

Структурный сдвиг уже можно наблюдать по итогам 2005 и бюджет­ного проектирования на 2006 год. На высокотехнологичные наукоемкие про­екты в 2005 году было направлено 15,3% всех инвестиционных расходов бюджета, и в 2006 году эта доля в результате реструктурирования программ и принятия новых программ повысится до 23,4%. Основной эффект этих рас­ходов скажется не ранее чем через 2-3 года.

Доля традиционных отраслей (транспорта и АПК) в общем объеме рас­ходов инвестиционного характера составляет 26,5% в 2005 году, и с учетом реализации президентской программы развития аграрного комплекса (жи­вотноводства и малых форм хозяйствования), в 2006 году сохранится при­мерно на этом же уровне. Именно программы модернизации транспортной инфраструктуры и аграрного сектора обеспечивают в ближайшие годы наи­больший вклад в поддержание темпов экономического роста.

Для обеспечения целевых прогнозируемых темпов роста на 2006-2008 годы необходимо не допустить снижения относительного уровня инвестици­онных расходов федерального бюджета и разработать систему новых феде­ральных и ведомственных целевых программ, обеспечивающих развитие вы­сокотехнологичных сфер экономики, и реализацию президентского пакета приоритетных мер по развитию образования, здравоохранения, жилищного строительства и ипотеки, животноводства, малых форм хозяйствования в аг­ропромышленном комплексе.

В динамике отраслевой структуры промышленного производства, с учетом эффекта реализации стратегий и общего повышения конкурентоспо­собности бизнеса, прогнозируется опережающий рост отраслей, выпускаю­щих инвестиционную и конечную продукцию. В рамках базового (первого) сценария доля отраслей этого комплекса возрастет с 33,1% в 2005 г. до 43,3% в 2015 г., а по инновационно-активному (второму) сценарию - соответ­ственно с 35,5% до 45-46%. Доля отраслей, производящих сырье и мате­риалы, снизится в базовом сценарии с 31,6% в 2005 году до 30,5-31% и до 29-30% в целевом. В 2005-2010 годах ослабление вклада нефтяной промыш­ленности в экономический рост будет во многом компенсироваться разви­тием сырьевых секторов (металлургического, химического, лесобумажного комплекса), которые имеют значительный потенциал увеличения как экс­порта, так и внутреннего спроса и уже стали активно наращивать инвести­ции. После 2008-2009 годов можно ожидать значительного повышения роли автомобилестроения и высокотехнологичных производств на основе роста отечественных и иностранных инвестиций и развития международной коо­перации.

Интеграция - объединение в целое каких-н. частей или элементов в процессе развития (науч).

Синергия при горизонтальной интеграции — это стратегические преимущества, которые возникают при соединении двух и более организаций в рамках единой структуры. Например, большинство слияний направлено на увеличение рыночной стоимости компании. Здесь речь идет о финансовой синергии: сумма стоимостей каждой из объединяющихся фирм меньше, чем стоимость новой компании.

Источниками этого эффекта могут быть:

Снижение операционных расходов;

Снижение финансовых рисков;

Улучшение конкурентной позиции на рынке;

Увеличение прибыли в денежном выражении;

Снижение потребности в инвестициях.

В стратегическом управлении синергические эффекты еще называют стратегическими соответствиями . Они определяются как сходные статьи затрат в структуре издержек различных организаций, которые могут трансформироваться друг в друга.

Синергические эффекты обусловлены стратегическими соответствиями сфер бизнеса - частичная общность используемого сырья, сбытовой сети, результатов НИОКР , единая система подготовки кадров, возможность маневра финансовыми ресурсами и др.

Стратегия – это не просто модное слово. Это ход мысли и порядок действий, которые при правильном подходе могут изменить к лучшему практически любую бизнес-ситуацию.

Стратегия интегрированного роста применяется, когда сильная компания стремится развиваться за счет расширения своей структуры. Это может быть рост изнутри или покупка стороннего бизнеса. Давайте разберемся с особенностями разных вариантов.

Существует два основных типа стратегий интегрированного роста:

1. Стратегия обратной вертикальной интеграции. Обычно ее используют на производствах, чтобы расширить сферу влияния компании внутри отрасли и сократить количество подрядчиков, с которыми приходится взаимодействовать.

Разработка стратегии обратной вертикальной интеграции включает в себя создание новых отделов закупок и снабжения, приобретение компаний-поставщиков сырья или комплектующих запчастей и другие меры.

Все это позволяет снизить расходы на производство и ослабить зависимость от цен, которые выставляют другие компании. Статья расходов при этом сценарии автоматически становится и статьей доходов.

2. Стратегия вперед идущей вертикальной интеграции. Она направлена на сокращение количества посредников между производителем и конечным потребителем. Меры, которые можно предпринять в рамках этой стратегии:

• Покупка фирм-посредников;
• Прием в штат новых специалистов по сбыту товаров;
• Открытие собственных фирменных магазинов и шоу-румов.

Дополнительным эффектом может стать снижение цены на товар за счет исключения посредников из цепочки продаж.

Задача этой стратегии – сократить путь, который проходит товар с момента производства до момента попадания в руки конечного потребителя. Цель – расширить сферу влияния компании и увеличить прибыльность бизнеса.

Допустим, разница между стратегией обратной вертикальной интеграции и стратегией вперед идущей вертикальной интеграции теперь вам ясна. Тогда возникает следующий вопрос:

Как выбрать самую подходящую стратегию для бизнеса?

Стратегическим мышлением обладают не многие, но предпринимателю без него не обойтись.

Нужно уметь взглянуть на бизнес-идею со стороны, получить и проанализировать данные о рынке, собрать информацию о целевой аудитории, ориентироваться в ситуации в конкретной отрасли.

А еще - выдвигать гипотезы и обладать хорошей интуицией. На практике обычно получается так, что стратегией роста становится целый комплекс решений.

Стратегия интегрированного роста подходит компаниям, которые хотят расширяться и владеют необходимыми для этого ресурсами.

Если Вас интересует предпринимательство, в которой Вы начнете зарабатывать на своем деле, используя свои таланты и сильные стороны!