Перші комп'ютери займали площу цілих будівель, а їх обчислювальна потужність була в мільйони разів нижчою, ніж у сучасних, дешевих і невеликих пристроїв. Такий стан речей був результатом не тільки низької на той час ефективності компонентів, але й того, що один великий елемент міг впоратися лише з одним завданням. Найважливішим кроком до мініатюризації електронних пристроїв став винахід інтегральної схеми.
Перевірте ІТ-інфраструктуру в оптовому магазині Onninen
Перша інтегральна схема. Яке застосування мали найдавніші системи?
Перша спроба створити інтегральну схему була зроблена в кінці 1940-х років Джеффрі Даммером. Хоча йому вдалося створити теоретичну базу для таких рішень, він не створив саму систему. Однак проекти, які виконувалися незалежно двома дослідниками під егідою двох різних компаній - Яцека Кілбі з Texas Instruments і Роберта Нойса з Fairchild Semiconductor, виявилися успішними.
Система, створена Кілбі, була представлена першою - в 1958 році - і він вважається творцем цього винаходу (через 42 роки він отримав за нього Нобелівську премію). У його корпусі було розміщено декілька транзисторів та інших елементів, завдяки яким він міг виконувати завдання, раніше розділені на безліч компонентів, а джерело живлення було загальним для всіх. Спочатку інтегральні схеми вироблялися для певної мети. Пристрої того часу працювали, серед інших: як тригери, підсилювачі або обчислювальні системи (SSI – Small Scale Integration). З розвитком цієї технології інтегральні схеми також можуть використовуватися як більш складні компоненти - декодери, лічильники або регістри (MSI - Medium Scale Integration).
Мікропроцесори та цифрові інтегральні схеми
Ще одним проривом, який дозволив сучасній електроніці розвинутись і досягти її сучасних можливостей, стало створення мікропроцесора. За його розробку відповідав Марчіан «Тед» Хофф, інженер Intel. Intel 4004, оскільки обладнання дебютувало під цією назвою, інтегрувало весь процесор в одну інтегральну схему. Хоча за сучасними стандартами це була примітивна система, це був початок нової ери в історії інформатики. Він був оснащений 2300 транзисторами і працював на 4-розрядному машинному слові. Тактова частота становила всього 740 кГц.
Наступним кроком стало створення мікропроцесора Intel 8080. Цей 8-розрядний процесор з'явився на ринку в 1970-х роках і знайшов багато практичних застосувань. Прогрес швидко став експоненціальним. Гордон Мур, один із засновників Intel, передбачив у 1965 році, що кількість транзисторів в інтегральних схемах подвоюватиметься кожні 18 місяців. Його прогноз, сьогодні відомий як закон Мура, все ще точний, хоча останніми роками цей показник сповільнився до 24 місяців. В даний час електротехніка володіє технологіями, що дозволяють створювати системи, що складаються з мільярдів транзисторів, і їх можливості постійно зростають.
Як побудована інтегральна схема?
Що таке мікропроцесор і як він побудований? Він складається з кількох шарів напівпровідників, діелектриків і металів. Основою всієї конструкції є тонкий плоский шматок кремнію, тобто пластина, на яку наносяться наступні шари. Кремній є важливим матеріалом для виробництва інтегральних схем через його унікальні напівпровідникові властивості та здатність працювати в широкому діапазоні температур.
Кремнієва пластина містить транзистори, які є основним елементом інтегральної схеми. Це мініатюрні вимикачі, які дозволяють контролювати протікання електричного струму. У сучасних процесорах їх може бути навіть кілька десятків мільярдів.
Процес виготовлення інтегральних схем заснований на фотолітографії. Після підготовки кремнієвої пластини на неї наносять тонкий шар світлочутливого матеріалу. Потім за допомогою ультрафіолету і спеціального шаблону освітлюється певна частина плати згідно з попередньо розробленою схемою з’єднання. Відкриті ділянки матеріалу зміцнюються, а інші ділянки видаляються хімічним шляхом. Оголені фрагменти пластини потім травляться, що дозволяє створити відповідні структури в напівпровіднику.
Наступним кроком є розміщення шарів різних електропровідних та ізоляційних матеріалів. Кожен шар виконує свої специфічні функції - створює провідні шляхи, ізолює елементи один від одного або створює транзисторні структури. Найпоширенішим матеріалом для створення провідних шляхів є мідь, яка є чудовим провідником електрики. У процесі побудови інтегральних схем дуже важливо, щоб кожен шар був точно нанесений і ідеально узгоджувався з іншими шарами, що вимагає великої точності.
Всередині інтегральної схеми транзистори з’єднані один з одним металевими доріжками, які проводять електричні сигнали. Вони повинні бути ретельно сплановані та виконані - від цього залежить ефективність і надійність усієї системи. Сучасні процесори мають мільярди з'єднань, що значно ускладнює їх побудову. Металеві доріжки наносяться в процесі фотолітографії, як і інші елементи системи. Кожен шар слідів ізольований від попереднього за допомогою діелектричних матеріалів, що запобігає короткому замиканню.
Основні типи інтегральних схем
Залежно від типу сигналів, що обробляються, існує два типи цифрових схем. Перший - цифрові інтегральні схеми, найпоширеніший тип інтегральних схем, що працюють з двійковими сигналами (зі значеннями 0 і 1). Вони використовуються в логічних і арифметичних операціях. Системи цього типу складають основу комп'ютерних процесорів і багатьох інших систем управління - вони широко використовуються в ІТ-інфраструктурі .
Другий тип - аналогові інтегральні схеми, призначені для безперервних аналогових сигналів. Ці сигнали можуть приймати будь-які значення в заданому діапазоні. Аналогові схеми часто використовуються в комунікаційних і аудіосистемах. Основними їх типами є операційні підсилювачі, генератори, аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) і цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП), мікросхеми пам'яті.
Принцип дії інтегральних схем
Інтегральні схеми є основою всіх сучасних електронних пристроїв. Завдяки цій технології вдалося мініатюризувати обладнання та багаторазово підвищити його ефективність. Різноманітність їх типів і здатність окремих типів обробляти як цифрові, так і аналогові сигнали означає, що комп'ютери та контролери, що випускаються сьогодні, здатні виконувати складні завдання. Їхні можливості - завдяки зростаючій кількості транзисторів - з кожним роком зростають, що дозволяє нам реалізовувати проекти, які кілька десятиліть тому були предметом наукової фантастики. Майбутнє галузі, безперечно, принесе ще більше інновацій – і в найближчі роки.