NAND フラッシュ 101: 集積回路とは何ですか?

この記事は、Phison の最も重要な製品の 1 つである集積回路を詳しく調べるシリーズの最初の記事です。ここでは、集積回路とは何か、また集積回路がどのように分類されるかを定義します。

集積回路 (IC) は、今日のエレクトロニクスの最も基本的な基盤です。チップまたはマイクロチップとも呼ばれる IC は、単一の半導体材料 (通常はシリコン) に取り付けられた電子部品の集合で構成されています。

この説明は最初は簡単に見えるかもしれませんが、実際はそれよりも少し複雑であることがわかります。

複数の機能を備えた複雑なコンポーネント

ICチップは、トランジスタと呼ばれるミニスイッチに接続される多数のナノメートルサイズの回路で構築されています。これらのトランジスタは、基本的に電圧または電流に接続すると導通状態になる半導体デバイスです。

この概念を大局的に理解するには、多くのパイプとバルブを備えた配管システムを想像してください。ミニ回路が IC に電流を供給するのと同じように、パイプは水を供給します。トランジスタは、配管システムのバルブが水の流れを方向付けるように、オンまたはオフにして電流を必要な場所に方向付けることができる制御の重要なポイントです。

迷路のような回路、トランジスタ、その他のさまざまなコンポーネントに電流を流すことにより、IC はさまざまな計算および論理処理タスクを完了できます。 IC には多くの潜在的な機能があり、コンピューターのメモリ、カウンター、タイマーなどとして機能します。信号を増幅したり、計算を実行したり、決定点を評価したり、結果に基づいてコードを分岐したりすることもできます。これらの基本要素はすべて、デスクトップ コンピューターの CPU などの複雑なデバイスを組み立てるのに重要です。

ICの分類

IC ファミリー ツリーは、独自のアーキテクチャと可能な用途の範囲により、デジタル/ロジック、アナログ (自動車のオーディオ信号や衝突回避レーダーなど)、メモリの 3 つの主要なグループに分類できます (図 1 を参照)。

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図 1. すべての IC は、異なる用途を持つ 3 つの主要なカテゴリのいずれかに分類されます。

アナログとデジタル: 背景について

各 IC グループを詳しく説明する前に、デジタルとアナログの違いを理解することが重要です。どちらも信号の種類を指しますが、違いはデータの送信方法にあります。アナログ信号は連続波です。デジタル信号は 1 と 0 で構成されており、連続的ではありません。1 または 0 はそれぞれ個別の情報の「パケット」です。図 2 で、2 つの波形 (または視覚的にグラフ化した場合の信号の形状) の違いがわかります。

アナログ波は、現実世界に関連したものを表現するのが非常に得意です。音波、地面に衝撃を与える足の圧力、徐々に大きくなる地震の揺れなどを考えてください。 A 点から B 点までは常にスムーズに進みます。

一方、デジタル信号は、明確に定義された瞬時の開始点と停止点により、制御、カウント、測定、管理がはるかに簡単であるため、技術システムでより一般的に見られます。

デジタルIC

2000 年代初頭、Phison は世界初のシングルチップ USB フラッシュ ドライブ コントローラ IC を設計する若いエンジニアのグループによって台湾で設立されました。このチップはデジタル IC の一種として分類されます。

アナログ信号の電圧が波のように滑らかに上下するのとは異なり、ディスクリート信号では電圧 (または電気レベル) が瞬時に上下します。また、離散信号の高値と低値の特定の所定の電圧レベルを使用すると、2 進数 (1 と 0) のデータを簡単に推定できます。デジタル信号とチップの「明確な」性質は、特に今日の回路設計ツールの進歩により、設計者にとってより使いやすいものになっています。

図 2. アナログ信号は連続的ですが、デジタル信号は離散的であると考えられます。

アナログIC

上で述べたように、アナログ IC の連続波状信号は、電磁波や熱放射などの現実世界の変動要因を表現するのに非常に優れています。これらは多くの場合、信号の特性を除去、低減、または変更するフィルターなどの信号処理およびインターフェース ユニットとして導入されます。または温度センサー。設定温度に比例した電圧を生成します。

説明のために、配管パイプとバルブに戻ってみましょう。給水バルブをランダムに調整し、時間に対する総水量の変化を観察することにより、時間の関数としての電流量を示す連続波形をプロットできます。適切に設計されたアナログ回路でも同様に動作します。水の代わりに電流または電圧の測定値を使用して波形をプロットできます。

アナログ信号の欠点は、信号が複雑で分析が難しいことです。波形をより単純な形式に変換するには、一連の複雑な数学的操作が必要です。これにより、波形は直接的な観察によって実際に決定的になります。

アナログ信号のばらつきは、用途によってはプラスになるため、アナログ IC は誤差許容度が低いため、非常に敏感になります。つまり、回路、ハードウェア構成、ユーザー設計にわずかなエラーがある場合の動作があまり得意ではなく、不具合が発生したり、システム全体の整合性が損なわれる可能性さえあります。

そうは言っても、複雑なシステム設計におけるアナログ IC の重要性を無視することはできません。歴史的に、ほとんどの電子デバイスはアナログ情報処理から始まりました。今日でも、アナログ IC は依然として一般的であり、複雑なシステムやモジュールの設計においてデジタル IC と組み合わせられることがよくあります。

メモリIC

メモリ IC の目的はデータを保存することです。特に NAND フラッシュ メモリは、電源を切っても情報を保持でき、可動部品がないため、過去 10 年間、長期記憶媒体として人気がありました。このタイプのデータ保持は、不揮発性とも呼ばれます。対照的に、RAM などの揮発性メモリは高速ですが、電源を切るとデータが失われます。今日のエンジニアは、対象となるアプリケーションからのデータ アクセスの予測頻度に基づいて、揮発性メモリまたは不揮発性メモリのいずれかを使用できます。

現在のすべてのメモリ IC に共通していることの 1 つは、有用なソリューションを提供するにはデジタル コントローラー IC が必要であるということです。回路基板上にメモリ IC を搭載し、それを駆動するコントローラ IC を持たないことは、最高のホイールを備えているのにエンジンが搭載されていない車に似ています。

これは、以前に説明したデジタル IC に戻ります。その最初の USB フラッシュ コントローラーは、データ ストレージという特定の機能のために Phison によって開発されたデジタル IC でした。このような種類の IC は一般に Application Specific IC (ASIC) と呼ばれ、CPU や GPU の一般的なコンピューティングに使用される汎用 IC とは異なります。 ASIC アプリケーションは単純な車載インフォテインメント システムから国内通信ネットワーク制御システムまで多岐にわたりますが、Phison の ASIC は NAND フラッシュ メモリ IC が搭載されたストレージ デバイスを制御するように設計されています。

メモリ IC が異なれば、アプリケーションのニーズに対応するために独自の「駆動」スタイルが必要になる場合があります。これらの独自の要件は、IC のカスタマイズによって実現されます。カスタマイズの範囲によって、機能や機能の柔軟性が決まります。

Phison は幅広いニーズに対応する IC を設計します

Phison は IC 設計におけるエンドツーエンドのカスタマイズを専門としています。同社の NAND フラッシュ メモリ コントローラ IC は、メモリ IC を最適に制御するために調整された機能モジュールを備えたフルカスタム ソリューションです。 Phison は、IC 設計の最前線であり続けるために技術研究開発に継続的に投資しながら、20 年以上にわたり最先端のソリューションを提供してきました。

IC 101 ブログ シリーズの次回の記事にご期待ください。IC 設計プロセスについて詳しく説明します。