První počítače zabíraly prostor celých budov a jejich výpočetní výkon byl milionkrát nižší než u dnešních levných a malých zařízení. Tento stav byl důsledkem nejen nízké účinnosti tehdejších součástek, ale také toho, že jeden velký prvek zvládl pouze jeden úkol. Nejdůležitějším krokem k miniaturizaci elektronických zařízení byl vynález integrovaného obvodu.
Zkontrolujte IT infrastrukturu u velkoobchodníka Onninen
První integrovaný obvod. Jaké aplikace měly nejstarší obvody?
První pokus o vytvoření integrovaného obvodu provedl koncem 40. let 20. století Geoffrey Dummer. Přestože se mu podařilo vytvořit teoretické základy pro taková řešení, samotný obvod nevytvořil. Úspěšné však byly projekty, které nezávisle realizovali dva výzkumníci pod záštitou dvou různých společností – Jacka Kilbieho z Texas Instruments a Roberta Noyce z Fairchild Semiconductor.
První, co bylo představeno – v roce 1958 – byl obvod vytvořený Kilbym, který je považován za tvůrce tohoto vynálezu (o 42 let později za něj získal Nobelovu cenu). Jeho pouzdro obsahovalo několik tranzistorů a dalších prvků, díky nimž mohl plnit úkoly dříve rozdělené mezi mnoho součástek a napájení bylo společné pro všechny. Zpočátku se integrované obvody vyráběly s přesně definovaným účelem. Zařízení z té doby fungovala mimo jiné jako klopné obvody, zesilovače nebo výpočetní systémy (SSI – Small Scale Integration). S rozvojem této technologie mohly být integrované obvody použity i jako složitější součástky – dekodéry, čítače nebo registry (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesory a digitální integrované obvody
Dalším průlomem, který umožnil moderní elektronice rozvíjet se a dosáhnout současných možností, bylo vytvoření mikroprocesoru. Za jeho vývoj byl zodpovědný Marcian „Ted“ Hoff – inženýr ve společnosti Intel. Intel 4004, jak se tento hardware poprvé objevil, integroval celý procesor do jediného integrovaného obvodu. Ačkoli se podle dnešních měřítek jednalo o primitivní systém, stal se začátkem nové éry v historii informatiky. Byl vybaven 2 300 tranzistory a pracoval na 4bitovém strojovém slově. Taktovací frekvence byla pouze 740 kHz.
Dalším krokem bylo vytvoření mikroprocesoru Intel 8080. Tento 8bitový procesor se na trhu objevil v 70. letech 20. století a našel mnoho praktických aplikací. Pokrok rychle nabral exponenciální tempo. Gordon Moore, jeden ze zakladatelů společnosti Intel, v roce 1965 předpověděl, že počet tranzistorů v integrovaných obvodech se bude zdvojnásobovat každých 18 měsíců. Jeho předpověď, dnes známá jako Moorův zákon, je stále přesná, i když v posledních letech se toto tempo zpomalilo na 24 měsíců. Dnes má elektrotechnika technologie pro výrobu obvodů sestávajících z miliard tranzistorů a jejich možnosti neustále rostou.
Jak se konstruuje integrovaný obvod?
Co přesně je mikroprocesor a jak je konstruován? Skládá se z několika vrstev polovodičových, dielektrických a kovových materiálů. Základem celé struktury je tenký, plochý kus křemíku, destička, na kterou se nanášejí následné vrstvy. Křemík je důležitým materiálem pro výrobu integrovaných obvodů díky svým jedinečným polovodičovým vlastnostem a schopnosti pracovat v širokém teplotním rozsahu.
Křemíkový wafer obsahuje tranzistory, které jsou základním prvkem integrovaného obvodu. Jedná se o miniaturní spínače, které umožňují řídit tok elektrického proudu. V moderních procesorech jich může být i desítky miliard.
Výrobní proces integrovaných obvodů je založen na fotolitografii. Po přípravě křemíkového waferu se na něj nanese tenká vrstva fotocitlivého materiálu. Poté se pomocí ultrafialového světla a speciální šablony exponuje specifická část waferu podle předem navrženého zapojovacího vzoru. Exponované oblasti materiálu se vytvrdí a zbývající se chemicky odstraní. Exponované části waferu se poté leptají, což umožňuje vytvoření vhodných struktur v polovodiči.
Dalším krokem je umístění vrstev různých vodivých a izolačních materiálů. Každá vrstva má své specifické funkce – vytváří vodivé cesty, izoluje prvky od sebe navzájem nebo vytváří tranzistorové struktury. Nejčastěji používaným materiálem pro vytváření vodivých cest je měď, která dokonale vede elektrický proud. V procesu sestavování integrovaných obvodů je velmi důležité, aby každá vrstva byla přesně nanesena a dokonale sladěna s ostatními vrstvami, což vyžaduje velkou přesnost.
Uvnitř integrovaného obvodu jsou tranzistory vzájemně propojeny kovovými cestami, které vedou elektrické signály. Ty musí být pečlivě naplánovány a vyrobeny – na tom závisí účinnost a spolehlivost celého systému. Moderní procesory mají miliardy spojení, což jejich konstrukci značně komplikuje. Kovové cesty se používají ve fotolitografickém procesu, podobně jako u ostatních prvků systému. Každá vrstva cest je od předchozí izolována dielektrickými materiály, což zabraňuje zkratům.
Základní typy integrovaných obvodů
Vzhledem k typu zpracovávaných signálů existují dva typy digitálních systémů. Prvním jsou digitální integrované obvody, které jsou nejběžnějším typem integrovaných obvodů a pracují s binárními signály (s hodnotami 0 a 1). Používají se v logických a aritmetických operacích. Systémy tohoto typu jsou základem počítačových procesorů a mnoha dalších řídicích systémů – běžně je používá IT infrastruktura .
Druhým typem jsou analogové integrované obvody určené pro spojité analogové signály. Tyto signály mohou nabývat libovolných hodnot v daném rozsahu. Analogové obvody se často používají v komunikačních a audio systémech. Jejich hlavními typy jsou operační zesilovače, oscilátory, analogově-digitální převodníky (ADC) a digitálně-analogové převodníky (DAC) a paměťové čipy.
Princip činnosti integrovaných obvodů
Integrované obvody jsou základem všech moderních elektronických zařízení. Tato technologie umožnila miniaturizovat zařízení a mnohonásobně zvýšit jejich účinnost. Rozmanitost jejich typů a schopnost jednotlivých typů zpracovávat digitální i analogové signály znamená, že počítače a řídicí jednotky vyráběné dnes jsou schopny vykonávat složité úkoly. Jejich schopnosti – díky rostoucímu počtu tranzistorů – rok od roku rostou, což nám umožňuje realizovat projekty, které byly před několika desetiletími doménou sci-fi. Budoucnost tohoto odvětví jistě přinese ještě větší inovace – a to v nadcházejících letech.