集積回路とは
集積回路とは、回路を集中して積載させた電子部品です。
英語ではIntegrated Circuit、その略称としてICと呼ばれることもあります。様々な機能を持つ多数の電子素子を1つの半導体の基板に組付けて、相互に内部配線で接続して決まった働きをさせる電子回路のことです。
回路は複数の回路素子とそれらを結ぶ配線で構成されます。この回路素子とは主に抵抗・コンデンサ・トランジスタなどを指します。これらの素子と配線全てを1つの基板 (チップ) にまとめて製造することによって集積度を高めています。
ICは世の中のあらゆる電気製品に使用されています。ICの小型化が進んだことにより、私たちはスマートフォンなどの小型で便利な製品を使用することができています。
ICの中でも特に素子数が10万〜1,000万程度の大規模なものはLSI (英: Large Scale Integrated) と呼ばれます。
集積回路が開発されるまでは1つ1つの電子要素 (抵抗、ダイオード、コンデンサ、トランジスタ) などを個別にプリント基板に搭載して、外部配線で接続する必要がありました。
これに対して、ポピュラーな半導体周生期回路では、単結晶シリコンの半導体基板の上に、コンデンサや抵抗など (受動素子) 、ダイオードやトランジスタなど (能動素子) を配置し、相互に内部配線で接続します。 サイズは鉱石ラジオの時代に比べると、寸法が3万分の1以下、面積で10億分の1以下に小型化されています。
集積回路の仕組み
集積回路は半導体で作られます。半導体とは伝導体と絶縁体の中間であり、電気を少しだけ通す性質を持つ物質です。半導体にもさまざまな種類がありますが、一般的なICはシリコンを用いて作られます。
純粋なシリコン結晶に不純物原子を混ぜたものを組み合わせることで、電気 (電子) の流れがコントロール可能なトランジスタを作ることができます。このトランジスタの大規模な組み合わせによって、計算や処理を行う論理回路を組み立てることができます。また、抵抗・コンデンサ・配線も同様にシリコンを加工することによって製造することができます。
製造過程ではクリーンルームという綺麗な設備の中で、ウェハーと呼ばれるシリコン結晶の円盤上に光学装置を用いて一度に数百〜数千個の集積回路を焼き付けます。そして個々に切り離し、外部と接続するワイヤを取り付け、パッケージングして完成します。
集積回路の種類
1. 代表的なICの種類
- CPU
コンピュータの頭脳であり、制御と演算を担っています。制御部で処理の順序や扱うデータを管理し、演算部でデータの処理を行う構成になっています。 - GPU
ディスプレイに描画するためのプロセッサです。色の表示などに積和演算回路の集積が必要となり、この回路がニューラルネットワークの演算と似ているためAIにもよく用いられます。 - FPGA
ユーザーがプログラミングによってオリジナルの回路を自由に組むことができるICです。多数のロジック回路やスイッチやメモリを集積しています。 - SRAM
動作が高速なためキャッシュとして使用されます。キャッシュとはよくアクセスするデータのみを保存しておくCPUに内蔵されたメモリです。 - DRAM
メインメモリとして使用されます。実行中のプログラムコードや作業中のデータなどが保存されます。 - フラッシュメモリ
ストレージと呼ばれる保存用のメモリとして使用されます。USBメモリやSSDなどがあります。
2. 基本構造の種類
- 半導体集積回路
同一の半導体基板上に各種の受動素子と能動素子を多数組み込み、それらを内部配線で繋いだものです。 - 膜集積回路
絶縁基板上に膜状の抵抗やコンデンサなどの受動素子を組み込んで、それらを内部配線で接続した物です。 膜集積回路は素子膜の厚さで薄膜集積回路と、厚膜集積回路に分けられます。 - 混成集積回路
ハイブリッドICとも呼ばれ、膜集積回路にダイオードやトランジスタなどの能動素子を追加で組み込んで、外部配線で接続した物です。 集積回路の分類分けはこのほかにも基板材料でシリコンICと化合物ICで分けて呼ばれることもあります。
3. 役割の種類
- メモリIC
さまざまな情報を記録して、必要な時に取り出すことのできる半導体です。 (DRAM、SRAMなど) - マイコンIC
コンピュータの中央演算装置 (CPU) として入出力装置などの周辺機器を制御します。 - ASIC
特定用途向けの専用ICです。 個別の用途ごとに一から設計する場合や、配線回路のみ改造する場合などがあり、費用や納期が長いデメリットがあります。 - システムLSI
CPU、メモリ、ロジック、周辺回路などを1つのチップ上に搭載したICです。