Pierwsze komputery zajmowały powierzchnie całych budynków, a ich moc obliczeniowa była miliony razy niższa niż współczesnych, tanich i niewielkich urządzeń. Taki stan rzeczy był wynikiem nie tylko małej efektywności ówczesnych podzespołów, ale też tego, że jeden duży element mógł obsługiwać tylko jedno zadanie. Najważniejszym krokiem ku miniaturyzacji sprzętów elektronicznych było wynalezienie układu scalonego.
Sprawdź infrastrukturę IT w hurtowni Onninen
Pierwszy układ scalony. Jakie zastosowania miały najstarsze układy?
Pierwszą próbę stworzenia układu scalonego podjął pod koniec lat 40. XX wieku Geoffrey Dummer. Chociaż udało mu się stworzyć teoretyczne podstawy dla takich rozwiązań, to samego układu nie stworzył. Sukcesem zakończyły się natomiast projekty realizowane niezależnie przez dwóch badaczy pod egidą dwóch różnych firm – Jacka Kilbiego z Texas Instruments i Roberta Noyce’a z Fairchild Semiconductor.
Jako pierwszy – w roku 1958 – zaprezentowany został układ stworzony przez Kilbiego i to właśnie jego uznaje się za twórcę tego wynalazku (za 42 lata później został za to uhonorowany Nagrodą Nobla). W jego obudowie umieszczono kilka tranzystorów i innych elementów, dzięki czemu mógł on wykonywać zadania rozdzielane dotychczas na wiele podzespołów, a zasilanie było wspólne dla wszystkich. Na początku produkowane były układy scalone o ściśle określonym przeznaczeniu. Urządzenia z tamtych czasów pracowały m.in. jako przerzutniki, wzmacniacze czy układy obliczeniowe (SSI – Small Scale Integration). Wraz z rozwojem tej technologii, układy scalone można było wykorzystywać także jako bardziej złożone podzespoły – dekodery, liczniki czy rejestry (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesory i cyfrowe układy scalone
Kolejnym przełomem, który pozwolił rozwinąć się współczesnej elektronice i osiągnąć obecne możliwości było stworzenie mikroprocesora. Za jego opracowanie odpowiedzialny Marcian "Ted" Hoff – inżynier firmy Intel. Intel 4004, bo pod taką nazwą zadebiutował sprzęt, zintegrował cały procesor w jednym układzie scalonym. Choć według dzisiejszych standardów był prymitywnym układem, stał się początkiem nowej epoki w dziejach informatyki. Wyposażono go w 2300 tranzystorów i pracował na 4-bitowym słowie maszynowym. Częstotliwość zegara wynosiła zaś jedynie 740 kHz.
Następnym krokiem było stworzenia mikroprocesora Intel 8080. Ten 8-bitowy procesor pojawił się na rynku w latach 70. i znalazł wiele praktycznych zastosowań. Postęp szybko nabrał wręcz wykładniczego tempa. Gordon Moore, jeden z założycieli Intela, już w 1965 przewidywał podwajanie się liczby tranzystorów w układach scalonych co 18 miesięcy. Jego prognoza, dziś znana jako Prawo Moore’a, nadal jest trafna, choć w ostatnich latach to tempo spadło do 24 miesięcy. Obecnie elektrotechnika dysponuje technologiami umożliwiającymi wykonanie układów składających się z miliardów tranzystorów, a ich możliwości stale rosną.
Jak zbudowany jest układ scalony?
Czym konkretnie jest mikroprocesor i jak jest zbudowany? Składa się on z kilku warstw materiałów półprzewodnikowych, dielektrycznych oraz metalicznych. Podstawą całej konstrukcji jest cienki, płaski kawałek krzemu, czyli płytka krzemowa (ang. wafer), na której nanoszone są kolejne warstwy. Krzem jest ważnym materiałem do produkcji układów scalonych z powodu swoich wyjątkowych właściwości półprzewodnikowych oraz możliwości pracy w szerokim zakresie temperatur.
Na płytce krzemowej znajdują się są tranzystory będące podstawowym elementem układu scalonego. Są to miniaturowe przełączniki, które umożliwiają kontrolowanie przepływu prądu elektrycznego. W nowoczesnych procesorach może znajdować się ich nawet kilkadziesiąt miliardów.
Proces produkcyjny układów scalonych opiera się na fotolitografii. Po przygotowaniu płytki krzemowej, nakłada się na nią cienką warstwę materiału światłoczułego. Następnie przy użyciu światła ultrafioletowego i specjalnego szablonu, naświetlana jest określona część płytki, zgodnie z wcześniej zaprojektowanym wzorem połączeń. Naświetlone obszary materiału są utwardzane, a pozostałe – usuwane chemicznie. Odsłonięte fragmenty płytki są następnie poddawane trawieniu, co pozwala na stworzenie odpowiednich struktur w półprzewodniku.
Kolejny krok to umieszczenie warstw różnych materiałów przewodzących i izolacyjnych. Każda warstwa ma swoje specyficzne funkcje – tworzy ścieżki przewodzące, izoluje elementy od siebie lub tworzy struktury tranzystorów. Najczęściej używanym materiałem do tworzenia ścieżek przewodzących jest miedź, która doskonale przewodzi prąd elektryczny. W procesie budowy układów scalonych bardzo ważne jest, aby każda warstwa była precyzyjnie naniesiona i idealnie dopasowana do pozostałych warstw, co wymaga ogromnej precyzji.
Wewnątrz układu scalonego tranzystory połączone są ze sobą metalowymi ścieżkami przewodzącymi sygnały elektryczne. Te muszą być dokładnie zaplanowane i wykonane – od tego zależy wydajność i niezawodność całego układu. Współczesne procesory mają miliardy połączeń, co bardzo komplikuje ich budowę. Metalowe ścieżki są nanoszone w procesie fotolitografii, podobnie jak inne elementy układu. Każda warstwa ścieżek jest odizolowana od poprzedniej za pomocą materiałów dielektrycznych, co zapobiega zwarciom.
Podstawowe rodzaje układów scalonych
Ze względu na rodzaj przetwarzanych sygnałów, wyróżnia się dwa rodzaje układów cyfrowych. Pierwszy to cyfrowe układy scalone to najpowszechniejszy rodzaj układów scalonych, pracujące z sygnałami binarnymi (o wartościach 0 i 1). Są stosowane w operacjach logicznych i arytmetycznych. Układy tego typu stanowią podstawę procesorów komputerowych i wielu innych innych systemów sterowania – to właśnie z nich powszechnie korzysta infrastruktura IT.
Drugi typ to analogowe układy scalone przeznaczone do sygnałów ciągłych analogowych. Sygnały te mogą przyjmować dowolne wartości w określonym zakresie. Układy analogowe są często stosowane w systemach komunikacyjnych i audio. Ich główne rodzaje to wzmacniacze operacyjne, oscylatory, przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i cyfrowo-analogowe (DAC) oraz układy pamięci.
Zasada działania układów scalonych
Układy scalone to fundament wszystkich współczesnych urządzeń elektronicznych. Dzięki tej technologii możliwa była miniaturyzacja sprzętu i wielokrotne zwiększenie jego wydajności. Różnorodności ich rodzajów oraz zdolność poszczególnych typów do przetwarzania zarówno sygnałów cyfrowych, jak i analogowych sprawia, że produkowane dziś komputery i sterowniki są w stanie wykonywać skomplikowane zadania. Ich możliwości – dzięki coraz większej liczbie tranzystorów – rosną z roku na rok, co pozwala nam realizować projekty, które kilkadziesiąt lat temu były domeną science-fiction. Przyszłość branży na pewno przyniesie jeszcze większe innowacje – i to już w najbliższych latach.