Файл: 1.10-к Розвиток елементної бази компютерів.pdf

Тема 1.10: Розвиток елементної бази комп'ютерів.

Мета: ознайомити з історією розвитку, фізичними принципами роботи та технологією виготовлення елементів комп'ютерів.

Перелік питань для вивчення.

1.Електромеханічні реле.

2.Електронні вакуумні лампи.

3.Транзистори.

4.Інтегральні схеми.

5.Великі та надвеликі інтегральні схеми.

6.Технологічні принципи розробки та виробництва ІС.

7.Проблеми та перспективи конструювання НВІС.

1. Електромеханічні реле.

Елементною базою найперших комп’ютерів (1938 – 1945 рр.) були електромеханічні пере-

микачі (реле), які використовувалися тоді в телефонному зв'язку. Принцип роботи реле показано на рисунку 1.10.1: коли перемикач відкритий (рис. 1.10.1, а), струму в електричному колі немає. Але, якщо на обмотку залізного осердя (рис. 1.10.1, б) подається струм низької напруги, то в осерді створюється магнітне поле, яке притягує один кінець важеля, інший його кінець у цей момент стискує контакти: коло замикається і по ньому починає проходити електричний струм.

Рис. 1.10.1 Електромеханічний перемикач а - струму в колі немає б - струм в колі є

2. Електронні вакуумні лампи.

Починаючи з 1945 року реле були витіснені електронними вакуумними лампами, які пра-

цювали значно швидше.

У комп’ютерах використовували головним чином електронну лампу-тріод. Вона являє собою скляний балон (рис. 1.10.2), з якого викачане повітря. Всередині балона знаходяться три основні елементи:

-катод, який випускає електронипід 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. 1.10.2 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 та 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 1940-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) непроводятьструм, оскількивнихелектрониміцнозв'язанізатомами.

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 випадках атоми домішок зв'язуються з атомами напівпровідника таким чином, що утворюють зайві електрони. Надлишок вільних електронів надає напівпровідникові негативний заряд. В інших випадках атоми домішок створюють так звані «дірки», які здатні «поглинати» електрони. Тоді виникає недостача електронів, і напівпровідник стає позитивно зарядженим.

Тобто, на відміну від металів, напівпровідники проводять струм двояким чином. Негативно

заряджений напівпровідник прагне позбутися зайвих електронів: це провідність n-тuny (negative - негативний). Позитивно заряджені напівпровідники притягують електрони. Це провідність р-ти-

пу (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. 1.10.3). Цей транзистор назвали площинним транзис-

тором.

Рис. 1.10.3 Площинний транзистор.

У площинному транзисторі тонкий шар напівпровідника p-типу затиснутий 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 бази викликає рух електронів та дірок і замикає коло, негативний - розмикає.

Транзистор виконував функції електронної лампи, але при цьому 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 германію дешевим кремнієм і вдосконалення технології виробництва різко знизили його вартість.

Зниження вартості транзистора призвело до заміни електронних ламп транзисторами в комп'ютерах 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 та паяти. Такі схеми займали значно більше місця, ніж того бажали прихильники мініатюризації. Тому в 1952 році виникла ідея розміщення компонентів логічних схем (транзисторів, резисторів, конденсаторів та інших) у суцільному блоці напівпровідникового матеріалу.

Основана на цій ідеї перша інтегральна схема (ІС) з'явилася в 1958 році. Основними елементами цих схем стали планарні транзистори, довжина яких не перевищувала сотої частки сантиметра (рис. 1.10.4).

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, які поширюються від одного елемента до іншого, тепер доводилося долати відстані лише в соті частки сантиметра. Тому нові ІС сприяли розробці принципово нових комп'ютерів.

Рис. 1.10.4 Планарний транзистор

5. Великі та надвеликі інтегральні схеми.

3 розвитком технології створювалися дедалі складніші ІС з дедалі більшою кількістю ком-

понентів. В 1980 році були створені інтегральні схеми високого та надвисокого ступеня інтеграції,

які назвали ВІС (великі ІС) та НВІС (надвеликі ІС). На їх базі були створені мікропроцесори.

Процес мініатюризації електронних компонентів НВІС продовжується до нашого часу.

НВІС називають також чипами (chip - тріска). На думку фахівців, щільність інтеграції компо-

нентів досягне порядку 10 млн. на кристалі розміром з ніготь.

Сучасні комп'ютери побудовані на базі НВІС.

6. Технологічні принципи розробки та виробництва ІС.

Технологічний принцип розробки та 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.

Успішний розвиток мікроелектроніки зумовлений лазерною, іонною та рентгенівською літографією. Роздільна здатність такого обладнання досягає 22 нм. Замість алюмінієвих провідни-

ків у мікросхемах починають застосовувати мідні з'єднання, що дозволяє підвищити швидкість опрацювання даних.

Такі високі технології зумовлюють чимало проблем.

Мікроскопічна товщина ліній, яку можна порівняти з діаметром молекул, потребує високої чистоти матеріалів, застосування вакуумних установок і зниження робочих температур. Тому

сучасні заводи з виробництва мікросхем мають унікальне устаткування. В їхніх приміщеннях створені замкнуті надчисті міні-атмосфери, заповнені азотом або іншим інертним газом.

Сучасна інтегральна технологія дозволяє формувати на одному кристалі різні типи напів-

провідникової 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 назива-

ють CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Елементи, основані на різних типах схемотехніки, розрізняються швидкодією, споживаною

потужністю, надійністю та галузями використання.

Мікросхеми малого та 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.

Проектувальники НВІС найчастіше зустрічаються з наступними проблемами:

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, температурні ко-

ливання).

Дослідники сподіваються обійти ці труднощі, створивши зовсім нові типи елементів.

Основні напрями сучасних досліджень для проектування НВІС:

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.Яку елементну базу мали комп’ютери різних років?

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 та надвеликі інтегральні схеми?

11.Який основний технологічний принцип розробки та 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.Назвіть основні напрями досліджень для проектування 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.