Circuito integrado

Un precursor del circuito integrado fueron los pequeños sustratos cerámicos conocidos como micromódulos , ^{[ 5 ]} cada uno de los cuales contenía un único componente electrónico miniaturizado. Estos módulos podían ensamblarse e interconectarse en una cuadrícula compacta bidimensional o tridimensional. La idea, considerada muy prometedora en 1957, fue propuesta al Ejército de los EE. UU. por Jack Kilby , ^{[ 5 ]} dando lugar al efímero Programa de Micromódulos (similar en espíritu al Proyecto Tinkertoy de 1951). ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Sin embargo, a medida que el proyecto ganaba impulso, Kilby ideó un enfoque fundamentalmente nuevo: el propio circuito integrado.

Recién contratado por Texas Instruments , Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con éxito el primer ejemplo funcional de un circuito integrado el 12 de septiembre de 1958. ^{[ 8 ]} En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, ^{[ 9 ]} Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". ^{[ 10 ]} El primer cliente de la nueva invención fue la Fuerza Aérea de los Estados Unidos . ^{[ 11 ]} Kilby ganó el Premio Nobel de Física de 2000 por su contribución a la invención del circuito integrado. ^{[ 12 ]}

Sin embargo, la invención de Kilby no era un verdadero chip de circuito integrado monolítico, ya que dependía de conexiones externas de hilo de oro, lo que hacía impracticable la producción a gran escala. ^{[ 13 ]} Aproximadamente seis meses después, Robert Noyce en Fairchild Semiconductor desarrolló el primer chip de circuito integrado monolítico práctico. ^{[ 14 ] [ 13 ]} El chip de circuito integrado monolítico fue posible gracias a las invenciones del proceso planar de Jean Hoerni y del aislamiento de la unión p-n de Kurt Lehovec . La invención de Hoerni se basó en el trabajo de Carl Frosch y Lincoln Derick sobre la protección y pasivación de superficies mediante el enmascaramiento y la predeposición de dióxido de silicio, ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} así como en el trabajo de Fuller, Ditzenberger y otros sobre la difusión de impurezas en el silicio. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

A diferencia del diseño de Kilby, basado en germanio, la versión de Noyce fue fabricada en silicio mediante el proceso planar por su colega Jean Hoerni, lo que permitió interconexiones de aluminio fiables en el chip. Los chips IC modernos se basan en el diseño monolítico de Noyce, ^{[ 14 ] [ 13 ]} en lugar del prototipo inicial de Kilby.

El programa Apolo de la NASA fue el mayor consumidor individual de circuitos integrados entre 1961 y 1965. ^{[ 23 ]}

La lógica transistor-transistor (TTL) fue desarrollada por James L. Buie a principios de la década de 1960 en TRW Inc. La TTL se convirtió en la tecnología dominante para los circuitos integrados digitales durante las décadas de 1970 y principios de 1980. ^{[ 24 ]}

El uso de docenas de circuitos integrados TTL era el método de construcción estándar para los procesadores de minicomputadoras y computadoras centrales . Computadoras como las computadoras centrales IBM 360 , las minicomputadoras PDP-11 y la computadora de escritorio Datapoint 2200 se construyeron a partir de circuitos integrados bipolares , ^{[ 25 ]} ya sea TTL o la lógica de acoplamiento de emisor (ECL) más rápida.

Los circuitos integrados (CI) modernos se basan en el transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET), formando CI MOS . ^{[ 26 ]} El MOSFET fue desarrollado en Bell Labs entre 1955 y 1960, ^{[ 15 ] [ 27 ] [ 16 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 17 ]} permitiendo la creación de CI de alta densidad . ^{[ 31 ]} A diferencia de los transistores bipolares , que requerían pasos adicionales para el aislamiento de la unión p-n , los MOSFET podían aislarse fácilmente entre sí sin tales medidas. ^{[ 32 ]} Esta ventaja para los circuitos integrados fue destacada por primera vez por Dawon Kahng en 1961. ^{[ 33 ]} La lista de Hitos del IEEE incluye el primer CI de Kilby en 1958, ^{[ 34 ]} el proceso planar de Hoerni y el CI planar de Noyce en 1959. ^{[ 35 ]}

El primer circuito integrado MOS experimental fabricado fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. ^{[ 36 ]} General Microelectronics introdujo posteriormente el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, ^{[ 37 ]} un registro de desplazamiento de 120 transistores desarrollado por Robert Norman. ^{[ 36 ]} Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . Los chips MOS aumentaron aún más en complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a la integración a gran escala (LSI) con cientos de transistores en un solo chip MOS a finales de la década de 1960. ^{[ 38 ]}

Tras el desarrollo del MOSFET de puerta autoalineada (puerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, ^{[ 39 ]} la primera tecnología de circuitos integrados MOS de puerta de silicio con puertas autoalineadas , la base de todos los circuitos integrados CMOS modernos , fue desarrollada en Fairchild Semiconductor por Federico Faggin en 1968. ^{[ 40 ]} La aplicación de los chips LSI MOS a la informática fue la base de los primeros microprocesadores , ya que los ingenieros comenzaron a reconocer que un procesador informático completo podía estar contenido en un solo chip LSI MOS. Esto condujo a la invención del microprocesador y el microcontrolador a principios de la década de 1970. ^{[ 38 ]} Durante la primera década de 1970, la tecnología de circuitos integrados MOS permitió la integración a muy gran escala (VLSI) de más de 10 000 transistores en un solo chip. ^{[ 41 ]}

Al principio, las computadoras basadas en MOS solo tenían sentido cuando se requería alta densidad, como en la industria aeroespacial y las calculadoras de bolsillo . Las computadoras construidas completamente con TTL, como la Datapoint 2200 de 1970 , eran mucho más rápidas y potentes que los microprocesadores MOS de un solo chip, como el Intel 8008 de 1972 , hasta principios de la década de 1980. ^{[ 25 ]}

Los avances en la tecnología de circuitos integrados, principalmente características más pequeñas y chips más grandes, han permitido que el número de transistores MOS en un circuito integrado se duplique cada dos años, una tendencia conocida como la ley de Moore. Moore afirmó originalmente que se duplicaría cada año, pero luego cambió la afirmación a cada dos años en 1975. ^{[ 42 ]} Esta mayor capacidad se ha utilizado para reducir el costo y aumentar la funcionalidad. En general, a medida que el tamaño de las características se reduce, casi todos los aspectos del funcionamiento de un circuito integrado mejoran. El costo por transistor y el consumo de energía de conmutación por transistor disminuyen, mientras que la capacidad de memoria y la velocidad aumentan, a través de las relaciones definidas por la escala de Dennard ( escalado de MOSFET ). ^{[ 43 ]} Debido a que las ganancias de velocidad, capacidad y consumo de energía son evidentes para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrías más finas. Con el paso de los años, el tamaño de los transistores se ha reducido de decenas de micras a principios de la década de 1970 a 10 nanómetros en 2017 ^{[ 44 ] ,} con un aumento correspondiente de un millón de veces en la cantidad de transistores por unidad de área. En 2016, las áreas típicas de los chips oscilaban entre unos pocos milímetros cuadrados y alrededor de 600  mm² , con hasta 25 millones de transistores por milímetro cuadrado. ^{[ 45 ]}

La esperada reducción del tamaño de las características y el progreso necesario en áreas relacionadas fueron pronosticados durante muchos años por la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores (ITRS). La versión final de la ITRS se publicó en 2016 y está siendo reemplazada por la Hoja de Ruta Internacional para Dispositivos y Sistemas . ^{[ 46 ]}

Inicialmente, los circuitos integrados (CI) eran dispositivos exclusivamente electrónicos. Su éxito ha propiciado la integración de otras tecnologías, con el objetivo de obtener las mismas ventajas de tamaño reducido y bajo coste. Estas tecnologías incluyen dispositivos mecánicos, ópticos y sensores.

• Los dispositivos de carga acoplada (CCD) , y los sensores de píxeles activos (APS) , estrechamente relacionados , son chips sensibles a la luz . Han reemplazado en gran medida a la película fotográfica en aplicaciones científicas, médicas y de consumo. Actualmente se producen miles de millones de estos dispositivos cada año para aplicaciones como teléfonos móviles, tabletas y cámaras digitales. Este subcampo de los circuitos integrados (CI) ganó el Premio Nobel en 2009. ^{[ 47 ]}
• Los dispositivos mecánicos muy pequeños accionados por electricidad pueden integrarse en chips, una tecnología conocida como sistemas microelectromecánicos (MEMS). Estos dispositivos se desarrollaron a finales de la década de 1980 ^{[ 48 ]} y se utilizan en diversas aplicaciones comerciales y militares. Algunos ejemplos son los proyectores DLP , las impresoras de inyección de tinta y los acelerómetros y giroscopios MEMS utilizados para desplegar los airbags de los automóviles .
• Desde principios de la década de 2000, la integración de la funcionalidad óptica ( computación óptica ) en chips de silicio se ha buscado activamente tanto en la investigación académica como en la industria, lo que ha dado como resultado la comercialización exitosa de transceptores ópticos integrados basados ​​en silicio que combinan dispositivos ópticos (moduladores, detectores, enrutamiento) con electrónica basada en CMOS. ^{[ 49 ]} También se están desarrollando circuitos integrados fotónicos que utilizan luz, como el PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) de Lightelligence , utilizando el campo emergente de la física conocido como fotónica . ^{[ 50 ]}
• También se están desarrollando circuitos integrados para aplicaciones de sensores en implantes médicos u otros dispositivos bioelectrónicos . ^{[ 51 ]} En estos entornos biogénicos, se deben aplicar técnicas de sellado especiales para evitar la corrosión o la biodegradación de los materiales semiconductores expuestos. ^{[ 52 ]}

A partir de 2018La gran mayoría de todos los transistores son MOSFET fabricados en una sola capa en una cara de un chip de silicio mediante un proceso plano bidimensional . Los investigadores han producido prototipos de varias alternativas prometedoras, tales como:

• varios enfoques para apilar varias capas de transistores para hacer un circuito integrado tridimensional (3DIC), como vía a través del silicio , "3D monolítico", ^{[ 53 ]} unión de cables apilados, ^{[ 54 ]} y otras metodologías.
• Transistores fabricados con otros materiales: transistores de grafeno , transistores de molibdenita , transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono , transistores de nitruro de galio , dispositivos electrónicos de nanocables similares a transistores , transistores orgánicos de efecto de campo , etc.
• fabricar transistores sobre toda la superficie de una pequeña esfera de silicio. ^{[ 55 ] [ 56 ]}
• modificaciones al sustrato, normalmente para fabricar " transistores flexibles " para una pantalla flexible u otros dispositivos electrónicos flexibles , lo que podría dar lugar a un ordenador portátil .

A medida que se hace más difícil fabricar transistores cada vez más pequeños, las empresas están utilizando módulos multichip / chiplets , circuitos integrados tridimensionales , paquete sobre paquete , memoria de alto ancho de banda y vías a través del silicio con apilamiento de chips para aumentar el rendimiento y reducir el tamaño, sin tener que reducir el tamaño de los transistores. Estas técnicas se conocen colectivamente como empaquetado avanzado . ^{[ 57 ]} El empaquetado avanzado se divide principalmente en empaquetado 2.5D y 3D. 2.5D describe enfoques como módulos multichip mientras que 3D describe enfoques donde los chips se apilan de una forma u otra, como paquete sobre paquete y memoria de alto ancho de banda. Todos los enfoques involucran 2 o más chips en un solo paquete. ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]} Alternativamente, enfoques como 3D NAND apilan múltiples capas en un solo chip. Se ha demostrado una técnica para incluir refrigeración microfluídica en circuitos integrados, para mejorar el rendimiento de refrigeración ^{[ 63 ]} así como refrigeradores termoeléctricos Peltier en protuberancias de soldadura, o protuberancias de soldadura térmicas utilizadas exclusivamente para la disipación de calor, utilizadas en flip-chip . ^{[ 64 ] [ 65 ]}

Los semiconductores de la tabla periódica de los elementos químicos fueron identificados como los materiales más adecuados para un tubo de vacío de estado sólido . Comenzando con el óxido de cobre , pasando por el germanio y luego el silicio , estos materiales fueron estudiados sistemáticamente en las décadas de 1940 y 1950. Hoy en día, el silicio monocristalino es el principal sustrato utilizado para los circuitos integrados, aunque algunos compuestos III-V de la tabla periódica, como el arseniuro de galio, se utilizan para aplicaciones especializadas como LED , láseres , células solares y circuitos integrados de alta velocidad. Se necesitaron décadas para perfeccionar los métodos de creación de cristales con mínimos defectos en la estructura cristalina de los materiales semiconductores .

Los circuitos integrados semiconductores se fabrican mediante un proceso planar que incluye tres pasos clave : fotolitografía , deposición (como la deposición química de vapor ) y grabado . Estos pasos principales se complementan con dopaje y limpieza. Los circuitos integrados más recientes o de alto rendimiento pueden utilizar transistores FinFET o GAAFET multigates en lugar de los planares, a partir del nodo de 22 nm (Intel) o de 16/14 nm. ^{[ 74 ]}   

Las obleas de silicio monocristalino se utilizan en la mayoría de las aplicaciones (o, para aplicaciones especiales, se utilizan otros semiconductores como el arseniuro de galio ). La oblea no tiene por qué ser completamente de silicio. Se utiliza fotolitografía para marcar diferentes áreas del sustrato que se van a dopar o sobre las que se depositarán pistas de polisilicio, aislantes o metal (normalmente aluminio o cobre). Los dopantes son impurezas que se introducen intencionadamente en un semiconductor para modular sus propiedades electrónicas. El dopaje es el proceso de añadir dopantes a un material semiconductor.

• Los circuitos integrados se componen de numerosas capas superpuestas, cada una definida mediante fotolitografía y representada normalmente por distintos colores. Algunas capas indican dónde se difunden los distintos dopantes en el sustrato (capas de difusión), otras definen dónde se implantan iones adicionales (capas de implantación), otras definen los conductores (capas de polisilicio dopado o metal) y otras definen las conexiones entre las capas conductoras (capas de vía o de contacto). Todos los componentes se construyen a partir de una combinación específica de estas capas.
• En un proceso CMOS autoalineado , se forma un transistor dondequiera que la capa de puerta (polisilicio o metal) cruza una capa de difusión (esto se denomina "puerta autoalineada" ). ^{[ 75 ] : p.1 (véase la figura 1.1)}
• Las estructuras capacitivas , con una forma muy similar a las placas conductoras paralelas de un condensador eléctrico tradicional , se forman según el área de las placas, con material aislante entre ellas. En los circuitos integrados es común encontrar condensadores de diversos tamaños.
• En ocasiones, se utilizan franjas sinuosas de longitudes variables para formar resistencias integradas en los chips , aunque la mayoría de los circuitos lógicos no requieren resistencias. La relación entre la longitud y el ancho de la estructura resistiva, junto con su resistividad superficial, determina la resistencia.
• En raras ocasiones, las estructuras inductivas pueden construirse como pequeñas bobinas integradas en un chip o simularse mediante giradores .

Dado que un dispositivo CMOS solo consume corriente en la transición entre estados lógicos , los dispositivos CMOS consumen mucha menos corriente que los dispositivos de transistores de unión bipolar .

La memoria de acceso aleatorio (RAM) es el tipo más común de circuito integrado; por lo tanto, los circuitos integrados de mayor densidad son memorias, aunque incluso un microprocesador suele incluir memoria en el chip. (Véase la estructura de matriz regular en la parte inferior de la primera imagen ). Aunque las estructuras de los dispositivos son muy complejas —con anchos de características que se han ido reduciendo durante décadas— las capas de material siguen siendo mucho más delgadas que las dimensiones laterales de los dispositivos. Estas capas se fabrican utilizando un proceso análogo a la fotolitografía , pero la luz en el espectro visible no se puede utilizar para la creación de patrones, ya que sus longitudes de onda son demasiado grandes. En su lugar, se emplean fotones ultravioleta (UV) de longitud de onda más corta para exponer cada capa. Debido a que las características son tan pequeñas, los microscopios electrónicos son herramientas esenciales para un ingeniero de procesos que trabaja en la depuración del proceso de fabricación .

Cada dispositivo se prueba antes del empaquetado utilizando equipos de prueba automatizados (ATE), en un procedimiento conocido como prueba de oblea o sondeo de oblea. La oblea se corta en bloques rectangulares, cada uno conocido como chip . Cada chip funcional (plural : chips , chips o troqueles ) se conecta a un paquete utilizando cables de unión de aluminio (u oro) , que se unen mediante unión termosónica . ^{[ 76 ]} La unión termosónica , introducida por primera vez por A. Coucoulas, proporcionó un medio fiable para formar conexiones eléctricas entre el chip y el mundo exterior. Después del empaquetado, los dispositivos se someten a pruebas finales en el mismo ATE o en uno similar utilizado durante el sondeo de oblea. Además, se puede emplear la tomografía computarizada industrial para la inspección. El costo de las pruebas puede representar más del 25 % del costo total de fabricación para productos de bajo costo, pero es relativamente insignificante para dispositivos de bajo rendimiento, más grandes o de mayor costo.

A partir de 2022Una planta de fabricación (comúnmente conocida como fábrica de semiconductores ) puede costar más de 12 mil millones de dólares estadounidenses. ^{[ 77 ]} El costo de una planta de fabricación aumenta con el tiempo debido a la creciente complejidad de los nuevos productos; esto se conoce como la ley de Rock . Dicha planta presenta:

• Las obleas tienen un diámetro de hasta 300  mm (más anchas que un plato llano común ).
• A partir de 2022 transistores de 5 nm.
• Interconexiones de cobre, donde el cableado de cobre reemplaza al aluminio en las interconexiones.
• Aislantes dieléctricos de baja constante dieléctrica (κ) .
• Silicio sobre aislante (SOI).
• Silicio tensionado en un proceso utilizado por IBM conocido como silicio tensionado directamente sobre aislante (SSDOI).
• Dispositivos multigates , como los transistores trigate.

Los circuitos integrados (CI) pueden fabricarse internamente por fabricantes de dispositivos integrados (IDM) o mediante el modelo de fundición . Los IDM son empresas integradas verticalmente (como Intel y Samsung ) que diseñan, fabrican y venden sus propios CI, y pueden ofrecer servicios de diseño y/o fabricación (fundición) a otras empresas (estas últimas a menudo a empresas sin fábrica propia ). En el modelo de fundición, las empresas sin fábrica propia (como Nvidia ) solo diseñan y venden CI y subcontratan toda la fabricación a fundiciones especializadas como TSMC . Estas fundiciones pueden ofrecer servicios de diseño de CI.

Los primeros circuitos integrados se encapsulaban en paquetes planos de cerámica, que el ejército siguió utilizando durante muchos años debido a su fiabilidad y tamaño compacto. El encapsulado comercial evolucionó rápidamente hacia el encapsulado DIP (Dual In-line Package ), primero en cerámica y posteriormente en plástico , generalmente una resina de cresol - formaldehído - novolaca .

En la década de 1980, el número de pines de los circuitos VLSI superó el límite práctico del encapsulado DIP, lo que llevó a la adopción de los encapsulados PGA ( Pin Grid Array ) y LCC ( Leadless Chip Carrier ). La tecnología de montaje superficial (SMT) surgió a principios de la década de 1980 y ganó popularidad a finales de la misma, ofreciendo un paso de pines más fino y utilizando pines con forma de ala de gaviota o de J. Un ejemplo común es el encapsulado SOIC ( Small Outline Integrated Circuit ), que ocupa entre un 30 % y un 50 % menos de superficie en la placa que un DIP equivalente y suele ser un 70 % más delgado, con pines en forma de ala de gaviota que se extienden desde sus dos lados largos con un espaciado estándar de 0,050 pulgadas.

A finales de la década de 1990, los diseños de encapsulado plano cuádruple de plástico (PQFP) y de encapsulado delgado de contorno pequeño (TSOP) se convirtieron en los más comunes para dispositivos con un alto número de pines, aunque los encapsulados PGA siguen utilizándose para microprocesadores de alto rendimiento .

El encapsulado de matriz de rejilla de bolas (BGA) existe desde la década de 1970. El BGA de chip invertido (FCBGA), desarrollado en la década de 1990, permite un número de pines mucho mayor que la mayoría de los demás tipos de encapsulado. En un FCBGA, el chip se monta boca abajo y se conecta a las bolas del encapsulado a través de un sustrato similar a una placa de circuito impreso , en lugar de mediante cables de unión. Este diseño permite que una matriz de conexiones de entrada/salida (E/S), denominada E/S de área, se distribuya por todo el chip en lugar de limitarse a sus bordes. Si bien los dispositivos BGA eliminan la necesidad de un zócalo dedicado, son significativamente más difíciles de reemplazar en caso de fallo.

Intel pasó de PGA a Land Grid Array (LGA) y BGA a partir de 2004, y el último zócalo PGA se lanzó en 2014 para plataformas móviles. A partir de 2018AMD utiliza encapsulados PGA en procesadores de escritorio convencionales, ^{[ 79 ]} encapsulados BGA en procesadores móviles, ^{[ 80 ]} y microprocesadores de escritorio y servidores de gama alta utilizan encapsulados LGA. ^{[ 81 ]}

Las señales eléctricas que salen del chip deben atravesar el material que lo conecta eléctricamente al encapsulado, las pistas conductoras del encapsulado y los terminales que lo conectan a las pistas conductoras de la placa de circuito impreso . Los materiales y estructuras utilizados en el recorrido de estas señales eléctricas presentan propiedades eléctricas muy diferentes a las de las señales que se transmiten a distintas partes del mismo chip. Por consiguiente, requieren técnicas de diseño especiales para garantizar que las señales no se corrompan y mucha más potencia eléctrica que las señales confinadas al propio chip.

Cuando se colocan varios chips en un solo paquete, el resultado es un sistema en paquete , abreviado SiP . Un módulo multichip (MCM) se crea combinando varios chips en un sustrato pequeño, generalmente de cerámica. La distinción entre un MCM grande y una placa de circuito impreso pequeña a veces es difusa.

Los circuitos integrados empaquetados suelen ser lo suficientemente grandes como para incluir información de identificación. Cuatro secciones comunes son el nombre o logotipo del fabricante, el número de pieza, el número de lote de producción y el número de serie , y un código de fecha de cuatro dígitos para identificar la fecha de fabricación del chip. Los componentes de tecnología de montaje superficial, extremadamente pequeños, a menudo solo llevan un número que se utiliza en la tabla de referencia del fabricante para encontrar las características del circuito integrado.

La fecha de fabricación se suele representar con un año de dos dígitos seguido de un código de semana de dos dígitos, de modo que una pieza con el código 8341 se fabricó en la semana 41 de 1983, o aproximadamente en octubre de 1983.

Los primeros circuitos integrados contenían solo unos pocos transistores. Los primeros circuitos digitales, que contenían decenas de transistores, proporcionaban unas pocas compuertas lógicas, y los primeros circuitos integrados lineales, como el Plessey SL201 o el Philips TAA320, tenían tan solo dos transistores. El número de transistores en un circuito integrado ha aumentado drásticamente desde entonces. El término "integración a gran escala" (LSI) fue utilizado por primera vez por el científico de IBM Rolf Landauer al describir el concepto teórico; ^{[ 93 ]} ese término dio origen a los términos "integración a pequeña escala" (SSI), "integración a escala media" (MSI), "integración a muy gran escala" (VLSI) e "integración a ultra gran escala" (ULSI). Los primeros circuitos integrados eran SSI.

Los circuitos SSI fueron cruciales para los primeros proyectos aeroespaciales , y estos proyectos contribuyeron a impulsar el desarrollo de la tecnología. Tanto el misil Minuteman como el programa Apolo necesitaban computadoras digitales ligeras para sus sistemas de guiado inercial. Si bien la computadora de guiado del Apolo lideró e impulsó la tecnología de circuitos integrados, ^{[ 94 ]} fue el misil Minuteman el que la llevó a la producción en masa. El programa del misil Minuteman y otros programas de la Armada de los Estados Unidos representaron el mercado total de circuitos integrados de 4 millones de dólares en 1962, y para 1968, el gasto del gobierno estadounidense en el espacio y la defensa aún representaba el 37% de la producción total de 312 millones de dólares.

La demanda del gobierno estadounidense impulsó el incipiente mercado de circuitos integrados hasta que los costos disminuyeron lo suficiente como para permitir que las empresas de circuitos integrados penetraran en el mercado industrial y, finalmente, en el mercado de consumo . El precio promedio por circuito integrado bajó de 50 dólares en 1962 a 2,33 dólares en 1968. ^{[ 95 ]} Los circuitos integrados comenzaron a aparecer en productos de consumo a principios de la década de 1970. Una aplicación típica era el procesamiento de sonido FM entre portadoras en receptores de televisión.

La primera aplicación de los chips MOS fueron los chips de integración a pequeña escala (SSI). ^{[ 96 ]} Tras la propuesta de Mohamed M. Atalla del chip de circuito integrado MOS en 1960, ^{[ 97 ]} el primer chip MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. ^{[ 36 ]} La primera aplicación práctica de los chips MOS SSI fue para los satélites de la NASA . ^{[ 96 ]}

El siguiente paso en el desarrollo de los circuitos integrados introdujo dispositivos que contenían cientos de transistores en cada chip, lo que se denominó "integración a escala media" (MSI, por sus siglas en inglés).

La tecnología de escalado de MOSFET hizo posible la construcción de chips de alta densidad. ^{[ 31 ]} Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . ^{[ 38 ]}

En 1964, Frank Wanlass demostró un registro de desplazamiento de 16 bits de un solo chip que él mismo diseñó, con la entonces increíble cantidad de 120 transistores MOS en un solo chip. ^{[ 96 ] [ 98 ]} Ese mismo año, General Microelectronics presentó el primer chip de circuito integrado MOS comercial , compuesto por 120 transistores MOS de canal p . ^{[ 37 ]} Era un registro de desplazamiento de 20 bits , desarrollado por Robert Norman ^{[ 36 ]} y Frank Wanlass. ^{[ 99 ] [ 100 ]} Los chips MOS aumentaron aún más su complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a chips con cientos de MOSFET en un chip a finales de la década de 1960. ^{[ 38 ]}

El desarrollo posterior, impulsado por la misma tecnología de escalado de MOSFET y factores económicos, condujo a la "integración a gran escala" (LSI) a mediados de la década de 1970, con decenas de miles de transistores por chip. ^{[ 101 ]}

Las máscaras utilizadas para procesar y fabricar dispositivos SSI, MSI y los primeros LSI y VLSI (como los microprocesadores de principios de la década de 1970) se creaban mayormente a mano, a menudo utilizando cinta Rubylith o similar. ^{[ 102 ]} Para circuitos integrados grandes o complejos (como memorias o procesadores ), esto solía ser realizado por profesionales contratados especialmente para el diseño de circuitos, bajo la supervisión de un equipo de ingenieros, quienes, junto con los diseñadores de circuitos, inspeccionaban y verificaban la corrección y la integridad de cada máscara.

Los circuitos integrados, como las memorias RAM de 1 Kbit, los chips de las calculadoras y los primeros microprocesadores, que comenzaron a fabricarse en cantidades moderadas a principios de la década de 1970, tenían menos de 4000 transistores. Los verdaderos circuitos LSI, que se acercaban a los 10 000 transistores, comenzaron a producirse alrededor de 1974 para las memorias principales de las computadoras y los microprocesadores de segunda generación.

La "integración a muy gran escala" ( VLSI , por sus siglas en inglés) es un desarrollo que comenzó con cientos de miles de transistores a principios de la década de 1980. A partir de 2023, el número máximo de transistores sigue creciendo, superando los 5,3 billones de transistores por chip.

Se requirieron múltiples avances para lograr esta mayor densidad. Los fabricantes adoptaron reglas de diseño de MOSFET más pequeñas e instalaciones de fabricación más limpias . La hoja de ruta de las mejoras de proceso se resumió en la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores (ITRS), que posteriormente fue sucedida por la Hoja de Ruta Internacional para Dispositivos y Sistemas (IRDS). Las herramientas de diseño electrónico mejoraron, lo que permitió finalizar los diseños en un tiempo razonable. El CMOS , más eficiente energéticamente, reemplazó al NMOS y al PMOS , evitando un aumento prohibitivo en el consumo de energía . La complejidad y densidad de los dispositivos VLSI modernos hicieron que ya no fuera factible verificar las máscaras o realizar el diseño original manualmente. En su lugar, los ingenieros utilizan herramientas EDA para llevar a cabo la mayor parte del trabajo de verificación funcional . ^{[ 103 ]}

En 1986, se introdujeron chips de memoria de acceso aleatorio (RAM) de un megabit , que contenían más de un millón de transistores. Los chips de microprocesador superaron el millón de transistores en 1989 y los mil millones en 2005. ^{[ 104 ]} Esta tendencia continúa prácticamente sin cesar, con chips introducidos en 2007 que contienen decenas de miles de millones de transistores de memoria. ^{[ 105 ]}

Para reflejar el continuo aumento de la complejidad, se introdujo el término ULSI ("integración a escala ultragrande") para chips que contienen más de un millón de transistores. ^{[ 106 ]} La integración a escala de oblea (WSI) es una técnica para crear circuitos integrados muy grandes utilizando una oblea de silicio completa para fabricar un único "superchip". Al combinar un gran tamaño con un empaquetado reducido, la WSI ofrecía el potencial de reducir significativamente los costos en ciertas aplicaciones, sobre todo en las supercomputadoras masivamente paralelas. El término en sí deriva de la integración a escala muy grande (VLSI), que representaba el estado del arte en el momento en que se desarrollaba la WSI. ^{[ 107 ] [ 108 ]}

Un sistema en un chip (SoC o SOC) es un circuito integrado en el que todos los componentes necesarios para un ordenador u otro sistema se incluyen en un único chip. El diseño de un dispositivo de este tipo puede ser complejo y costoso, y si bien se pueden obtener ventajas de rendimiento al integrar todos los componentes necesarios en un solo chip, el coste de licenciar y desarrollar una máquina de un solo chip sigue siendo superior al de tener dispositivos separados. Con la licencia adecuada, estos inconvenientes se compensan con menores costes de fabricación y ensamblaje y con un presupuesto de energía mucho menor: dado que las señales entre los componentes se mantienen en el chip, se requiere mucha menos energía (véase §  Empaquetado ). ^{[ 109 ]} Además, las fuentes y destinos de las señales están físicamente más cerca en el chip, lo que reduce la longitud del cableado y, por lo tanto , la latencia , los costes de potencia de transmisión y el calor residual de la comunicación entre módulos en el mismo chip. Esto ha llevado a la exploración de los llamados dispositivos de red en chip (NoC), que aplican metodologías de diseño de sistema en chip a redes de comunicación digital en contraposición a las arquitecturas de bus tradicionales .

Un circuito integrado tridimensional (3D-IC) consta de dos o más capas de componentes electrónicos activos integrados tanto vertical como horizontalmente en un único circuito. La comunicación entre capas utiliza señalización en el chip, por lo que el consumo de energía es mucho menor que en circuitos separados equivalentes. El uso adecuado de cables verticales cortos puede reducir sustancialmente la longitud total del cableado para un funcionamiento más rápido. ^{[ 110 ]}