První počítače zabíraly plochu celých budov a jejich výpočetní výkon byl milionkrát nižší než u moderních, levných a malých zařízení. Tento stav byl důsledkem nejen nízké účinnosti tehdejších komponent, ale také toho, že jeden velký prvek mohl zvládnout pouze jeden úkol. Nejdůležitějším krokem k miniaturizaci elektronických zařízení byl vynález integrovaného obvodu.
Zkontrolujte IT infrastrukturu u velkoobchodu Onninen
První integrovaný obvod. Jaké byly aplikace nejstarších systémů?
První pokus o vytvoření integrovaného obvodu učinil koncem 40. let Geoffrey Dummer. Podařilo se mu sice vytvořit teoretický základ pro taková řešení, ale nevytvořil samotný systém. Nicméně projekty, které nezávisle na sobě provedli dva výzkumníci pod záštitou dvou různých společností – Jaceka Kilbieho z Texas Instruments a Roberta Noyce z Fairchild Semiconductor – byly úspěšné.
Systém vytvořený Kilbiem byl představen jako první – v roce 1958 – a on je považován za tvůrce tohoto vynálezu (o 42 let později za něj dostal Nobelovu cenu). V jeho pouzdře bylo umístěno několik tranzistorů a dalších prvků, díky nimž mohl plnit úkoly dříve rozdělené do mnoha součástek a napájení bylo pro všechny společné. Na počátku byly integrované obvody vyráběny pro konkrétní účel. Zařízení z té doby fungovalo mimo jiné: jako klopné obvody, zesilovače nebo výpočetní systémy (SSI – Small Scale Integration). S rozvojem této technologie mohly být integrované obvody využívány i jako složitější součástky – dekodéry, čítače nebo registry (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesory a číslicové integrované obvody
Dalším průlomem, který umožnil moderní elektronice vyvinout se a dosáhnout jejích současných schopností, bylo vytvoření mikroprocesoru. Za jeho vývoj byl zodpovědný Marcian „Ted“ Hoff, inženýr Intelu. Intel 4004, jak zařízení pod tímto názvem debutovalo, integroval celý procesor do jednoho integrovaného obvodu. Ačkoli to byl podle dnešních měřítek primitivní systém, byl to začátek nové éry v historii informatiky. Byl vybaven 2300 tranzistory a pracoval na 4bitovém strojovém slově. Hodinová frekvence byla pouze 740 kHz.
Dalším krokem bylo vytvoření mikroprocesoru Intel 8080 Tento 8bitový procesor se objevil na trhu v 70. letech a našel mnoho praktických aplikací. Pokrok se rychle stal exponenciálním. Gordon Moore, jeden ze zakladatelů Intelu, v roce 1965 předpověděl, že počet tranzistorů v integrovaných obvodech se každých 18 měsíců zdvojnásobí. Jeho předpověď, dnes známá jako Moorův zákon, je stále přesná, i když v posledních letech se toto tempo zpomalilo na 24 měsíců. V současné době má elektrotechnika technologie umožňující tvorbu systémů složených z miliard tranzistorů a jejich možnosti neustále rostou.
Jak se konstruuje integrovaný obvod?
Co je to vlastně mikroprocesor a jak je konstruován? Skládá se z několika vrstev polovodičových, dielektrických a kovových materiálů. Základem celé konstrukce je tenký plochý kus křemíku, tedy plátek, na který 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 plátek obsahuje tranzistory, které jsou základním prvkem integrovaného obvodu. Jedná se o miniaturní spínače, které umožňují ovládat tok elektrického proudu. Moderní procesory jich mohou obsahovat i několik desítek miliard.
Výrobní proces integrovaných obvodů je založen na fotolitografii. Po přípravě křemíkového plátku se na něj nanese tenká vrstva fotocitlivého materiálu. Poté je pomocí ultrafialového světla a speciální šablony konkrétní část desky vystavena světlu podle předem navrženého schématu připojení. Odkrytá místa materiálu se vytvrdí a zbývající místa se chemicky odstraní. Odkryté úlomky destičky jsou následně vyleptány, což umožňuje vytvoření příslušných struktur v polovodiči.
Dalším krokem je položení vrstev různých vodivých a izolačních materiálů. Každá vrstva má své specifické funkce – vytváří vodivé cesty, izoluje prvky od sebe nebo vytváří tranzistorové struktury. Nejčastěji používaným materiálem pro vytvoření vodivých cest je měď, která je vynikajícím vodičem elektřiny. V procesu budování 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 provedeny – závisí na tom účinnost a spolehlivost celého systému. Moderní procesory mají miliardy připojení, což značně komplikuje jejich konstrukci. Kovové stopy jsou ukládány v procesu fotolitografie, stejně jako ostatní prvky systému. Každá vrstva stop je izolována od předchozí pomocí dielektrických materiálů, což zabraňuje zkratům.
Základní typy integrovaných obvodů
Vzhledem k typu zpracovávaných signálů existují dva typy digitálních obvodů. Prvním jsou digitální integrované obvody, nejběžnější typ integrovaných obvodů, pracující s binárními signály (s hodnotami 0 a 1). Používají se v logických a aritmetických operacích. Systémy tohoto typu tvoří základ počítačových procesorů a mnoha dalších řídicích systémů – jsou široce využívány IT infrastrukturou .
Druhým typem jsou analogové integrované obvody určené pro spojité analogové signály. Tyto signály mohou nabývat libovolných hodnot v určeném 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. Díky této technologii bylo možné zařízení miniaturizovat a mnohonásobně zvýšit jeho účinnost. Rozmanitost jejich typů a schopnost jednotlivých typů zpracovávat digitální i analogové signály znamená, že dnes vyráběné počítače a regulátory jsou schopny provádět složité úkoly. Jejich schopnosti se – díky rostoucímu počtu tranzistorů – rok od roku zvyšují, což nám umožňuje realizovat projekty, které byly před několika desítkami let doménou sci-fi. Budoucnost tohoto odvětví jistě přinese ještě větší inovace – a to v nadcházejících letech.