Елементна база комп’ютерів (розвиток)
3776
Зміст
Лекція на тему “Розвиток елементної бази комп’ютерів”
Мета: ознайомити з історією розвитку, фізичними принципами роботи та технологією виготовлення елементів комп’ютерів.
1. Електромеханічні реле
Елементною базою найперших комп’ютерів були електромеханічні перемикачі (реле), які використовувались тоді в телефонному зв’язку. Принцип роботи реле такий (рис.1): коли пере-микач відкритий (рис. 1, а), струму в електричному колі немає. Але, якщо на обмотку залізного осердя (рис. 1, б) подається струм низької напруги, то в осерді створюється магнітне поле, яке притягує один кінець важеля, інший кінець його в цей момент замикає контакти: коло замикається і по ньому починає проходити електричний струм.
Рис. 1. Електромеханічний перемикач: а – струму в колі немає; б – струм в колі є
2. Електронні вакуумні лампи
Невдовзі реле були витіснені електронними вакуумними лампами, які працювали значно швидше.
У комп’ютерах першого покоління використовували головним чином електронну лампу- тріод. Вона являє собою скляний балон, з якого викачане повітря. Всередині балона знаходяться три основних елемента (рис. 2):
– катод, який випускає електрони під час його нагрівання від зовнішнього джерела живлення;
– анод, на якому збираються електрони, пройшовши через безповітряний простір;
– сітка, розміщена між анодом і катодом, яка керує потоком електронів.
Рис. 2. Електронна лампа-тріод (1906 р.)
Якщо сітка заряджена позитивно, електрони рухаються через вакуум від катода до анода, замикаючи електричне коло, по якому проходить струм. Негативно заряджена сітка відштовхує електрони, і коло розмикається.
3. Транзистори
Незважаючи на високу швидкодію і відсутність механічних частин, вакуумні лампи мають суттєві недоліки:
1) займають багато місця;
2) споживають величезну кількість електроенергії;
3) виділяють багато тепла;
4) швидко вигорають.
Тому з кінця 40-х років фахівці почали шукати заміну громіздкій і тендітній електронній лампі. Вони звернули увагу на кристалічні мінерали – напівпровідники.
Напівпровідники за своїми електричними властивостями суттєво відрізняються від провід-ників і діелектриків.
Більшість металів – добрі провідники, оскільки мають величезну кількість вільних електронів.
Діелектрики (ізолятори) не проводять струм, оскільки в них електрони міцно зв’язані з атомами.
Напівпровідники поводяться інакше. У чистому вигляді вони діють подібно до ізоляторів: або дуже погано проводять струм, або не проводять його взагалі. Але якщо додати до складу напівпровідників невелику кількість домішок, їх поведінка докорінно змінюється. У деяких випад-ках атоми домішки зв’язуються з атомами напівпровідника так, що утворюють зайві електрони. Надлишок вільних електронів надає напівпровідникові негативний заряд. В інших випадках атоми домішки створюють так звані «дірки», які здатні «поглинати» електрони. Тоді виникає недостача електронів, і напівпровідник стає позитивно зарядженим.
На відміну від металів, напівпровідники проводять струм двояким чином. Негативно заряд-жений напівпровідник прагне позбутися зайвих електронів: це провідність n-тuny (negative – негативний). Позитивно заряджені напівпровідники притягують електрони. Це провідність р-типу (positive – позитивиий).
Перший транзистор – аналог електронної лампи – на основі напівпровідників був створений в 1951 р. у США Вільямом Шоклі. Він являв собою тришаровий «сандвіч» з германію завтовшки близько 1 см, вміщений у металевий корпус (рис. 3). Цей транзистор назвали площинним транзистором.
Рис. 3. Площинний транзистор
У площинному транзисторі тонкий шар напівпровідника p-типу затиснуто між двома шарами напівпровідника n-типу. Один із шарів n-типу служив емітером (аналог катода), другий – колектором (аналог анода). Середній шар p-типу являв собою базу (аналог сітки керування).
В емітері та колекторі створюється надлишок електронів, а в базі – надлишок «дірок». Позитивний заряд на базі викликає рух електронів та дірок і замикає коло, негативний – його розмикає.
Транзистор виконував ті самі функції, що й електронна лампа, але мав великі переваги:
1) значно менший розмір;
2) міцніший корпус;
3) відсутність нитки розжарення;
4) низька робоча температура;
5) економне енергоспоживання.
Хоча спочатку транзистор був дорожчим від електронної лампи, але заміна дорогого герма-нію дешевим кремнієм і вдосконалення технології виробництва різко знизили його вартість.
Зниження вартості транзистора призвело до заміни електронних ламп транзисторами в комп’ютерах другого покоління і прискорило процес мініатюризації в електроніці.
4. Інтегральні схеми
Транзистори, виготовлені за існуючими в той час методами, доводилося під час складання схем вручну з’єднувати і припаювати. Такі схеми займали значно більше місця, ніж того бажали прихильники мініатюризації. Тому у 1952 р. виникла ідея про розміщення компонентів (схем тран-зисторів, резисторів, конденсаторів і інших компонентів) у суцільному блоці напівпровідникового матеріалу.
Основана на цій ідеї перша інтегральна схема (ІС) з’явилася в 1958 р. Основними елемен-тами цих схем стали планарні транзистори, довжина яких не перевищувала сотої частки санти-метра (рис. 4).
Основні переваги ІС перед транзисторами:
1) зменшення розмірів комп’ютерів;
2) зменшення кількості операцій пайки між компонентами;
3) зменшення кількості з’єднань;
4) підвищення надійності приладів;
5) збільшення швидкості роботи.
Електричним імпульсам, що поширюються від одного елемента до іншого, тепер доводи-лося долати відстані лише в соті частки сантиметра. Тому нові ІС сприяли розробці принципово нових комп’ютерів третього покоління.
Рис. 4. Планарний транзистор
5. Великі і надвеликі інтегральні схеми
3 розвитком технології створювалися дедалі складніші ІС з дедалі більшою кількістю ком-понентів. Такі інтегральні схеми високого і надвисокого ступеня інтеграції назвали ВІС (великі ІС) та НВІС (надвеликі ІС). На базі цих схем були створені мікропроцесори.
Процес мініатюризації електронних компонентів НВІС продовжується і в наш час. НВІС називають також чипами (chip – тріска). На думку фахівців, щільність інтеграції компонентів досягне порядку 10 млн. на кристалі розміром з ніготь.
Комп’ютери, основані на НВІС, називають комп’ютерами четвертого і п’ятого поколінь.
6. Технологічні принципи розробки і виробництва ІС
Технологічний принцип розробки і виробництва ІС полягає в пошаровому виготовленні частин електронних схем. За цим принципом, під час виготовлення ІС створюється просторова структура з декількох шарів, в кожному з яких розміщені мільйони транзисторів.
Дана технологія реалізується за допомогою світлового променя – це метод оптичної літо-графії. В наш час виготовляють мікросхеми розмірами 400 – 600 мм2 для процесорів і 200 – 400 мм2 для схем пам’яті. Мінімальна товщина ліній при цьому становить 250 – 135 нм.
Успішний розвиток мікроелектроніки зумовлений лазерною, іонною і рентгенівською літо-графією. Це дозволяє зменшити розміри до 45 нм. Замість алюмінієвих провідників у мікросхемах всюди починають застосовувати мідні з’єднання, що дозволяє підвищити швидкість опрацювання даних.
Такі високі технології зумовлюють чимало проблем. Мікроскопічна товщина ліній, порів-нянна з діаметром молекул, потребує високої чистоти матеріалів, застосування вакуумних устано-вок і зниження робочих температур. Тому нові заводи з виробництва мікросхем мають унікальне устаткування. В приміщеннях створені замкнуті надчисті міні-атмосфери, заповнені азотом чи ін-шим інертним газом.
Сучасна інтегральна технологія дозволяє формувати на одному кристалі різні типи напівпровідникової схемотехніки. Найбільше поширення отримали:
1) транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ):
2) емітерно-зв’язана логіка (ЕЗЛ);
3) технологія КМОН (комплементарна схема «метал – оксид – напівпровідник»). ЇЇ ще називають CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
Елементи, основані на різних типах схемотехніки, розрізняються швидкодією, споживаною потужністю, надійністю та галузями використання.
Мікросхеми малого і середнього ступенів інтеграції використовують для побудови різних логічних елементів та вузлів комп’ютера. Надвисокі інтегральні схеми застосовують для побудови процесорів і пристроїв пам’яті.
7. Проблеми та перспективи конструювання НВІС
Проблеми, з якими найчастіше зустрічаються проектувальники НВІС:
1) виділення великої кількості тепла під час проходження струму по мікросхемах;
2) обмеження вибору матеріалів, які підтримують максимальну частоту;
3) вразливість до випадкових мікроскопічних впливів (космічні промені, коливання темпе-ратури).
Дослідники сподіваються обійти ці труднощі, створивши зовсім нові типи елементів.
Основні напрями досліджень:
1) використання ефекту надпровідності;
2) створення оптичних комп’ютерів на базі нових керамічних матеріалів, у яких замість електронів будуть «працювати» фотони (частинки світла).
Контрольні запитання
1. Які елементи використовувалися в комп’ютерах першого, другого, третього і четвертого
поколінь?
2. Опишіть принцип дії електромеханічного реле.
3. Опишіть принцип дії електронної лампи.
4. Які недоліки мають електронні лампи?
5. Опишіть механізм електропровідності напівпровідників.
6. Опишіть принцип дії транзистора.
7. Назвіть переваги транзистора перед електронною лампою.
8. Поясніть ідею конструювання інтегральних схем.
9. Назвіть основні переваги ІС.
10. Що являють собою великі і надвеликі інтегральні схеми?
11. Який основний технологічний принцип розробки і виробництва ІС?
12. Розшифруйте терміни ЕЗЛ, ТТЛ і КМОН.
13. Чим відрізняються ЕЗЛ-, ТТЛ- і КМОН – транзистори? У яких галузях вони використовуються?
14. Які проблеми виникають у процесі конструювання НВІС?
15. Які основні напрями досліджень в конструюванні НВІС?
Література
1. Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл./ С.О. Кравчук, В.О. Шонін. – К.: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»: Видавництво «Каравела», 2005. – 344 с.