EN
Быстрые ссылки
Интегральные схемы, или микросхемы, по сути, представляют собой крошечные наборы транзисторы , резисторы, конденсаторы , а также всевозможные соединения, непосредственно созданные на одном куске полупроводникового материала, обычно кремния. Когда производители объединяют тысячи или даже миллионы этих крошечных компонентов в объект размером не больше ногтя, они создают чипы, способные выполнять очень сложные задачи, такие как усиление сигналов, обработка данных и управление распределением энергии. Современные интегральные схемы работают благодаря сверхточным слоям, изготовленным из проводящих материалов, изоляторов и полупроводников, расположенных друг над другом. Эта технология позволяет устройствам, которые мы используем ежедневно — от смартфонов до медицинского оборудования в больницах, — выполнять удивительные функции, потребляя при этом относительно мало энергии по сравнению со старыми технологиями.
Производительность интегральной микросхемы зависит от четырех основных компонентов:
| Компонент | Роль | Пример применения |
|---|---|---|
| Транзисторы | Переключение или усиление электрических сигналов | Логические элементы процессора |
| Резисторы | Контроль потока напряжения и тока | Делители напряжения |
| Конденсаторы | Накопление и высвобождение электрического заряда | Цепи фильтрации шумов |
| Межсоединения | Маршрутизация сигналов между компонентами | Медные дорожки на чипе |
Эти элементы работают слаженно, а передовые производственные технологии, такие как литография 5 нм, обеспечивают более плотную интеграцию для более быстрой и эффективной обработки.
Такая классификация позволяет инженерам выбрать оптимальный тип ИС: аналоговые для интерфейсов датчиков, цифровые — для вычислений и комбинированные (аналогово-цифровые) — для умных систем, требующих обоих типов.
Современные смартфоны и компьютеры зависят от интегральных микросхем, обеспечивающих высокую производительность при компактных размерах и энергоэффективности. Эти микроэлектронные компоненты с точностью управляют всем — от выполнения команд до сетевого подключения.
Современные мобильные процессоры используют технологию «система на кристалле» (SoC), где ЦП, графический процессор и различные компоненты искусственного интеллекта размещаются вместе на одном небольшом кусочке кремния. Возьмем, к примеру, чипы серии A от Apple или линейку Snapdragon от Qualcomm. Эти чипы способны обрабатывать видео в разрешении 4K и даже переводить языки в режиме реального времени — нечто, что было невозможно всего несколько лет назад. Согласно некоторым отраслевым отчетам с LinkedIn за прошлый год, они также работают примерно на 20 процентов холоднее по сравнению со старыми моделями, хотя точные цифры могут варьироваться в зависимости от условий использования. На практике это означает, что современные смартфоны уже конкурируют не просто с базовыми компьютерами, а фактически демонстрируют производительность, сравнимую с тем, что ранее мы ожидали от недорогих ноутбуков.
Интегральные схемы управления питанием (PMIC) регулируют подачу напряжения на компоненты смартфона, снижая потери энергии до 30% по сравнению с системами без использования ИС (STMicroelectronics, 2024). В то же время интегральные схемы миллиметрового диапазона в модемах 5G обеспечивают скорость загрузки более 10 Гбит/с, обеспечивая бесперебойную потоковую передачу и игры в облаке.
Высокопроизводительные вычисления основаны на специализированных архитектурах ИС. Настольные процессоры, такие как серия AMD Ryzen, размещают 16 ядер на кристалле площадью 72 мм², используя технологию 5 нм FinFET, в то время как серверные GPU обрабатывают задачи обучения ИИ в 12 раз быстрее, чем модели 2020 года. Эти достижения лежат в основе таких новых технологий, как генеративный ИИ и трассировка лучей в реальном времени.
Маленькие интегральные микросхемы внутри наших умных часов и фитнес-браслетов обеспечивают высокую функциональность этих устройств и при этом позволяют им работать в течение всего дня. Они отвечают за GPS-трекинг, контроль частоты сердечных сокращений и управление Bluetooth-соединениями, не расходуя при этом слишком быстро заряд батареи. Некоторые современные микроконтроллеры с низким энергопотреблением снижают использование энергии примерно на 40% по сравнению со старыми моделями, как показало исследование, опубликованное в прошлом году ведущими производителями чипов. Согласно рыночным тенденциям, объем продаж носимых устройств, ориентированных на измерение показателей здоровья, превысил 84 миллионов по всему миру только в 2024 году. При этом впечатляющие 62% таких устройств были оснащены передовыми интегральными схемами управления питанием (PMIC), что обеспечило пользователям более длительное время автономной работы между зарядками.
Сочетание аналоговых датчиков и цифровой обработки в микросхемах смешанных сигналов позволяет повседневным устройствам отслеживать показатели здоровья на уровне, ранее доступном только медицинскому оборудованию. Эти крошечные оптические биосенсоры работают совместно с АЦП, обеспечивая высокую точность измерения уровня кислорода в крови (SpO2) — около 98 %, при этом размещаясь в носимых устройствах, толщина которых едва превышает толщину монеты. Недавнее исследование института Понемона, проведенное в 2023 году, выявило нечто удивительное: мониторинг ЭКГ в реальном времени с помощью этих носимых систем сократил повторные госпитализации пациентов с сердечными заболеваниями примерно на 22 %. Еще более интересна скорость, с которой эти встроенные чипы ИИ могут обнаруживать проблемы. Они выявляют нарушения ритма сердца, такие как фибрилляция предсердий, уже примерно за 15 секунд, что в масштабах большой картины приводит к существенной экономии — по некоторым оценкам, около 740 000 долларов США в год на 10 000 пользователей.
ИС управления двигателями в современных бытовых приборах помогают улучшить такие параметры, как эффективность работы компрессоров в холодильниках и регулирование потока воды в стиральных машинах, что делает эти устройства более тихими и лучше адаптирующимися к различным условиям. Согласно рыночным тенденциям, доля бытовой техники составляет около 21,2 процента от общего спроса на такие интегральные схемы по данным Future Market Insights за прошлый год. Термостаты также используют аналоговые ИС, преобразуя колебания температуры, которые мы ощущаем, в точные цифровые показания, чтобы поддерживать комфортную температуру в доме с отклонением всего в полградуса по Цельсию.
32-битные микроконтроллеры в наших домах обрабатывают всевозможную информацию в реальном времени, поступающую через сети IoT. По сути, они выполняют роль регулировщиков потока сигналов от таких устройств, как датчики движения, датчики влажности и умные розетки, которые сейчас повсюду встречаются. Согласно последним отраслевым отчётам, примерно две трети современных устройств для автоматизации дома оснащаются так называемыми смешанными аналогово-цифровыми микросхемами. Эти компоненты одновременно справляются со всем: от контроля изменений температуры до управления подключениями Wi-Fi. Что это значит для обычных пользователей? Это означает, что наши холодильники могут определять повышение тарифов на электроэнергию и автоматически переключать свою работу на периоды с низкими тарифами. Камеры видеонаблюдения перестают тратить энергию впустую, постоянно работая, когда дома никого нет, и включаются только при обнаружении привычных паттернов движения, характерных для проживающих.
Правила ЕС по экодизайну 2025 года побуждают производителей внедрять больше аналоговых ИС в бытовую технику, что уже позволило сократить потребление энергии в режиме ожидания примерно на 40% с 2019 года. Такие компоненты, как стабилизаторы напряжения и современные модули управления питанием (PMIC), позволяют устройствам соответствовать требованиям ENERGY STAR, не превышая критическую отметку в 1 ватт в режиме простоя. По прогнозам отраслевых аналитиков, к 2029 году рынок этих аналоговых микросхем вырастет почти на 17 миллиардов долларов. Лидерами этого процесса становятся умные термостаты и современные системы отопления и охлаждения, согласно последним рыночным отчётам. Цифры свидетельствуют о стремительном прогрессе, поскольку компании спешат соответствовать как нормативным требованиям, так и ожиданиям потребителей в отношении энергоэффективности.
Сердцем потоковых устройств и смарт-телевизоров являются крошечные микросхемы, которые работают в фоновом режиме, декодируя, обрабатывая и передавая всё то высококачественное видео, к которому мы привыкли. Эти маленькие трудяги обеспечивают улучшение качества изображения 4K, сглаживание резких движений и корректировку качества в зависимости от состояния интернет-соединения в данный момент. Некоторые специализированные чипы ориентированы на обработку HDR-контента, что означает более насыщенные цвета и глубокие чёрные оттенки без быстрой разрядки аккумулятора на тех небольших потоковых флешках, которые пользователи подключают к своим телевизорам. Сейчас речь идёт о скоростях порядка 12 гигабит в секунду для контента 8K — функции, которая большинству потребителей пока, вероятно, не нужна, но которую производители продолжают внедрять, поскольку конкуренция стимулирует инновации.
Смешанные аналогово-цифровые интегральные схемы выполняют функцию соединительного звена между традиционными аналоговыми аудиосигналами и современными цифровыми технологиями обработки, что делает возможными такие функции, как шумоподавление, эффекты объемного звучания и динамическое усиление контраста, наблюдаемое в современных смарт-телевизорах. Эти небольшие чипы обеспечивают работу алгоритмов улучшения видео в реальном времени, которые используют искусственный интеллект для повышения качества обычного контента 1080p, делая его похожим на изображение в формате 4K. Внутри этих компонентов находятся АЦП (аналогово-цифровые преобразователи), работающие на частотах свыше 192 килогерц, что позволяет звуковым панелям и домашним кинотеатрам воспроизводить звук профессионального студийного качества — тот уровень, который большинство людей раньше не могло представить себе в своих гостиных. Особую привлекательность всей этой системе придаёт её способность сохранять совместимость со старым оборудованием, одновременно расширяя границы возможностей наших экранов и акустических систем.
Игроки, желающие получить плавные 120 кадров в секунду и реалистичные эффекты освещения благодаря трассировке лучей, стимулируют рост спроса на интегральные схемы, способные одновременно обрабатывать огромные объёмы данных с производительностью в несколько терафлопс. Согласно недавнему исследованию института Ponemon за 2023 год, более половины всех высокопроизводительных игровых систем теперь поставляются с мощными видеокартами, оснащёнными передовыми архитектурами чипов, которые поддерживают задержку ввода ниже десяти миллисекунд при запуске требовательных игр AAA-класса. Производители консолей также подключились к этому процессу, отдавая предпочтение энергосберегающим чипам по технологии 5 нм, что помогает эффективнее управлять тепловыделением, сохраняя при этом высокую производительность. Все эти достижения объясняют, почему услуги облачного гейминга выросли примерно на 33 процента по сравнению лишь с прошлым годом. Серверы этих платформ также нуждаются в промышленных процессорах высокой мощности, поскольку они в режиме реального времени рендерят целые игры для миллионов пользователей, играющих одновременно на различных устройствах.