2014-02-10
2061
Как уже говорилось, в самых первых компьютерах, в частности в «Марк-1», в качестве элементов использовались электромеханические переключатели (реле), которые широко применялись тогда в технике телефонной связи. Когда переключатель открыт (рис. 1.2.18а), ток в цепи отсутствует. Но если на обмотку железного сердечника (рис. 1.2.18б) подать ток низкого напряжения, то в сердечнике создается магнитное поле, притягивающее один конец вращающегося на шарнире рычажка; другой конец его в этот момент сжимает контакты: цепь замыкается и по ней начинает проходить электрический ток.
Рис. 1.2.18. Электромеханический переключатель:
а) ток в цепи отсутствует; б) ток в цепи есть
Вскоре реле были вытеснены электронными вакуумными лампами, которые работали значительно быстрее.
В компьютерах на электронных вакуумных лампах (впоследствии их назвали компьютерами первого поколения) использовалась главным образом электронная лампа под названием «триод». Она состоит из трех основных элементов (рис. 1.2.19):
· катода, испускающего электроны при нагревании от внешнего источника питания;
· анода, на котором, пройдя через безвоздушное пространство, собираются электроны,
· расположенной между анодом и катодом сетки, управляющей потоком электронов.
При наличии положительного заряда на сетке электроны устремляются через вакуум от катода на анод, замыкая цепь, по которой идет ток. Отрицательно заряженная сетка отталкивает электроны, и цепь размыкается.
Рис. 1.2.19. Электронная лампа – триод (1906 г.)
Несмотря на высокое быстродействие и отсутствие механических частей, вакуумные лампы имеют серьезные недостатки: они занимают много места, потребляют большое количество электроэнергии, выделяют много тепла и быстро выгорают.
Поэтому с конца 40-х годов, когда вступили в действие первые большие электронные компьютеры, специалисты по технике связи начали искать замену громоздким и хрупким электронным лампам. В центре внимания оказались кристаллические минералы под названием «полупроводники».
Большинство металлов являются хорошими проводниками, так как имеют огромное количество слабо связанных с атомным ядром электронов, которые легко притягиваются положительными зарядами и отталкиваться отрицательными. Движущиеся электроны являются носителями электрического тока. С другой стороны, изоляторы, например резина, не проводят тока, поскольку у них электроны прочно связаны с атомами и не реагируют на воздействие внешнего электрического поля.
Полупроводники ведут себя иначе. Атомы в кристаллах полупроводников образуют решетку, а их внешние электроны связаны силами химической природы. В чистом виде полупроводники действуют скорее подобно изоляторам: либо очень плохо проводят ток, либо не проводят вообще. Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов, как их поведение коренным образом меняется. В некоторых случаях атомы примеси связываются с атомами полупроводника так, что образуются лишние электроны; избыток свободных электронов придает полу проводнику отрицательный заряд. В других случаях атомы примеси создают так называемые «дырки», которые способны «поглощать» электроны. Таким образом возникает недостаток электронов и полупроводник становится положительно заряженным.
В отличие от металлов полупроводники проводят ток двояким образом. Отрицательно заряженный полупроводник стремится избавиться от лишних электронов: это проводимость n -типа (от negative – отрицательный). Носителями заряда в полупроводниках такого типа являются электроны. С другой стороны, положительно заряженные полупроводники притягивают электроны, заполняя дырки, что создает поток положительного заряда, который направлен в сторону, противоположную движению электронов. Это проводимость p -типа (от positive – положительный).
Хотя полупроводниковые приборы еще до второй мировой войны использовались как выпрямители в любительских радиоприемниках, создание в 1951 г. надежного транзистора, аналога электронной лампы на основе полупроводников, потребовало почти трехлетних усилий и значительных финансовых затрат.
Первый транзистор, представлявший собой трехслойный германиевый «сандвич» толщиной около 1 см, заключенный в металлический корпус (рис. 1.2.20). В этой модели транзистора, названной плоскостным транзистором, которая получила впоследствии наиболее широкое распространение – так называемая модель pnp, тонкий слой полупроводника n -типа зажат между двумя слоями полупроводника p -типа. Один из слоев p -типа служил эмиттером (аналог катода), другой – коллектором (аналог анода); средний слой n -типа представлял собой базу (аналог управляющей сетки).
Рис. 1.2.20. Плоскостной транзистор
В эмиттере и коллекторе создается избыток электронов, а в базе – избыток «дырок». Положительный заряд на базе вызывает движение электронов и дырок и замыкает цепь, отрицательный заряд – размыкает цепь.
Выполняя те же функции, что и электронная лампа, транзистор вместе с тем имел значительно меньшие размеры и был свободен от недостатков, присущих лампам: у него не было хрупкого стеклянного корпуса и тонкой нити накаливания, он не перегревался и потреблял гораздо меньше электроэнергии.
Хотя первоначально транзистор стоил дороже электронной лампы, однако замена дорогого германия дешевым кремнием, являющимся основным компонентом обычного песка, и усовершенствование технологии производства резко снизило стоимость транзисторов.
Снижение стоимости транзистора способствовало замене электронных ламп транзисторами (компьютеры на транзисторах получили название компьютеров второго поколения) и ускорению процесса миниатюризации в электронике.
Однако, как и электронные лампы, транзисторы, изготовленные существовавшими тогда методами, приходилось при сборке схем вручную соединять и припаивать и схемы занимали значительно больше места, чем того желали сторонники миниатюризации.
Поэтому практически сразу же (в 1952 г.) была выказана идея о размещении компонентов схем: транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д. в сплошном блоке полупроводникового материала.
Основанная на этой идее первая интегральная схема (ИС) появилась в 1958 г. Основными элементами этих схем стали планарные транзисторы, которые не превышали в длину сотой доли сантиметра (рис. 1.2.21).
Рис. 1.2.21. Планарный транзистор
ИС значительно сократили габариты изделий, устранили необходимость трудоемкого процесса пайки соединений между компонентами, а уменьшение числа соединений способствовало повышению надежности приборов. Не менее существенно и то, что они стали работать быстрее. Электрическим импульсом, распространяющимся от одного элемента к другому, теперь приходилось преодолевать расстояния всего лишь в сотые доли сантиметра.
Поэтому новые ИС открыли путь к разработке менее громоздких, более быстродействующих и мощных компьютеров для административно-управленческих и научных приложений. Эти компьютеры на ИС были названы компьютерами третьего поколения.
С развитием технологии ИС создавались все более сложные ИС и в конце 1970 г. фирмой Intel был выпущен процессор (он был назван микропроцессором) Intel-4004, состоявший из 2250 транзисторов, размещенных на кристалле размером не больше шляпки гвоздя.
Последовавший за тем процесс миниатюризации электронных компонентов, получивший название сверхвысокой степени интеграции, продолжается и по настоящее время. Сверхбольшие ИС (СБИС) называют также «чипами» (от слова chip – щепка). По мнению специалистов, прежде чем будут исчерпаны все возможности нынешней революции в микроэлектронике, плотность интеграции достигнет порядка 10 млн. компонентов на кристалле размером с ноготь.
Иногда компьютеры, основанные на сверхбольших ИС (СБИС) называют компьютерами четвертого поколения.
Технологический принцип разработки и производства интегральных схем заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу «программа – рисунок – схема». По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура, содержащая несколько слоев.
Для нанесения рисунка используются различные методы литографии.
Литография (греческое слово, означающее «гравюра на камне») – способ печати изображений с камня, на который изображение наносится с помощью специального карандаша. В производстве микросхем вместо камня используется фоторезисторный слой, а изображения наносится с помощью источника излучения.
В настоящее время наиболее часто применяется оптическая литография (фотолитография), в которой послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносятся световым лучом. При использовании этой технологии создаются кристаллы микросхем с размерами примерно 400—600 мм2 для процессоров (например, Pentium) и 200—400мм2– для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,25-0,135 микрон (10-6 м).
Получает все большее распространение также электронная литография, в которой в качестве источника используется поток электронов. Перспективными литографиями также являются:
· интерференционная (голографическая) литография, в которой используются те же методы, что и при построении голографических изображений;
· нанопечатная литография, в которой изображение получается с помощью механической деформации резисторного слоя;
· рентгеновская литография, в которой используется источник света в рентгеновском диапазоне;
· ультрафиолетовая литография, в которой используется источник света в диапазоне ультрафиолета.
Эти технологии позволяет выйти на размеры 0,13; 0,10 и даже 0,08 микрон.
Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Поэтому новые заводы по производству микросхем имеют уникальное конвейерное оборудование, размещаемое в «чистых помещениях класса 1», микросхемы в которых транспортируются от одного компонента конвейера к другому в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах, заполненных сверхчистым азотом или другим инертным газом.
Современная интегральная технология позволяет формировать на одном кристалле различные типы полупроводниковой схемотехники.
Наибольшее распространение получили интегральные схемы, выполненные на основе:
· логики ECL;
· логики TTL;
· логики CMOS.
В логике ECL (Emitter-Coupled Logic – эмиттерно-связанной логике) основой является потенциального сравнения на транзисторах, соединённых эмиттерами и подключенных к корпусу (или питанию) через резистор.
Логика ECL является самой быстродействующей из всех типов логики (время задержки не превышает 1-5 наносекунд, причем для некоторых элементов достигнутая задержка составляет десятые доли наносекунды). Кроме этого, достоинствами логики ECL являются: высокая нагрузочная способность (можно подключать к выходу сигнальные линии, лампы, реле и т. п.), а также возможность построения не двоичных логических схем.
Недостатками логики ECL являются:
· низкая помехоустойчивость;
· высокое энергопотребление;
· низкая степень интеграции;
· большая стоимость.
Основной концепцией логики TTL (Transistor–Transistor Logic – транзисторно-транзисторной логики) является изоляция входов с использованием соединения с общей базой и усиления на выходе с использованием соединения с общим эмиттером.
В усилителе с общей базой, также известном как усилитель с заземленной базой, эмиттер транзистора служит входом, коллектор – выходом, а база является общей для обоих компонентов. Эти усилители реализуются на базе транзистора с биполярным переходом – BJT (Bipolar Junction Transistor), в которых используется как электронная, так и «дырочная проводимость».
В усилителе с общим эмиттером база транзистора служит входом, коллектор – выходом, а эмиттер является общим для обоих компонентов. Этот усилитель также реализуется на базе BJT.
Логика TTL используется в основном в элементах среднего быстродействия, время задержки сигнала составляет для них 10-30 наносекунд.
В логике CMOS (CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor – комплиментарный полупроводник «металл-окисел») используется так называемые комплиментарные схемы, т.е. схемы, совместно использующие п-переходы и p-переходы в транзисторах со структурой «металл – окисел – полупроводник».
Недостатком логики CMOS является высокое время задержки (50-100 наносекунд и более). Однако элементы на основе этой логики отличаются:
Однако элементы на основе этой логики отличаются:
· невысокой потребляемой мощностью;
· большой нагрузочной способностью;
· высокой помехоустойчивостью;
· высокой технологичностью
· небольшой стоимостью.
Логика ECL применяется в СБИС для построения процессоров и запоминающих устройств. На основе логик TTL и CMOS реализуются различные по быстродействию логические элементы и триггеры, а также некоторые узлы компьютера (регистры, счетчики и др.), причем их конструктивно-технологической базой являются обычно микросхемы малой и средней степени интеграции.
Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем. Максимальная частота fmax ~1011-1012 Гц доступна очень немногим материалам: кремнию (Si), арсениду галлия (GaAs) и некоторым другим. Поэтому они чаще всего и используются в качестве подложек в микросхемах.
Несмотря на увеличение степени миниатюризации уже в 80-е годы ученые начали сталкиваться с проблемами, свидетельствующими, что миниатюризация не беспредельна. Одна из проблем – это всевозрастающая сложность проектирования и реализации микросхемы. Другая проблема – это то, что по мере уменьшения размеров транзисторы потребляют так мало энергии, что становятся уязвимыми для случайных микроскопических воздействий (например, космических лучей или микроскопических разрушений материала, обусловленных колебаниями температур).
Исследователи надеются обойти эти трудности, создав совершенно новые типы элементов. Основные направления исследований – использование эффекта сверхпроводимости и создание, на основе новых керамических материалов, оптических компьютеров, где вместо электронов будут «работать» фотоны (кванты света).
