Az első számítógépek egész épületek területét elfoglalták, számítási teljesítményük milliószor alacsonyabb volt, mint a modern, olcsó és kisméretű készülékeké. Ez az állapot nemcsak a komponensek akkori alacsony hatásfokának az eredménye, hanem annak is, hogy egy nagy elem csak egy feladatot tudott ellátni. Az elektronikus eszközök miniatürizálása felé vezető legfontosabb lépés az integrált áramkör feltalálása volt.
Ellenőrizze az informatikai infrastruktúrát az Onninen nagykereskedőjénél
Az első integrált áramkör. Melyek voltak a legrégebbi rendszerek alkalmazásai?
Az első kísérletet integrált áramkör létrehozására az 1940-es évek végén Geoffrey Dummer tette. Az ilyen megoldásokhoz ugyan sikerült elméleti alapot teremtenie, de magát a rendszert nem ő alkotta meg. A két kutató – Jacek Kilbie (Texas Instruments) és Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) – égisze alatt végzett projektek azonban sikeresek voltak.
A Kilbie által megalkotott rendszert elsőként mutatták be - 1958-ban - és őt tartják a találmány megalkotójának (42 évvel később Nobel-díjat kapott érte). Házába több tranzisztort és egyéb elemet is elhelyeztek, amelyeknek köszönhetően korábban sok komponensre osztott feladatokat tudott ellátni, a tápellátás pedig mindegyiknél közös volt. Kezdetben az integrált áramköröket meghatározott célra gyártották. Az akkori eszközök működtek többek között: flip-flopként, erősítőkként vagy számítástechnikai rendszerekként (SSI – Small Scale Integration). Ennek a technológiának a fejlődésével az integrált áramkörök bonyolultabb komponensekként is használhatók – dekóderek, számlálók vagy regiszterek (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesszorok és digitális integrált áramkörök
Egy másik áttörés, amely lehetővé tette a modern elektronika fejlesztését és jelenlegi képességeinek elérését, a mikroprocesszor megalkotása volt. Marcian "Ted" Hoff, az Intel mérnöke volt a felelős a fejlesztésért. Az Intel 4004, mint a berendezés ezen a néven debütált, a teljes processzort egyetlen integrált áramkörbe integrálta. Bár mai mércével mérve primitív rendszer volt, egy új korszak kezdete lett a számítástechnika történetében. 2300 tranzisztorral szerelték fel, és 4 bites gépszóval működött. Az órajel csak 740 kHz volt.
A következő lépés az Intel 8080 mikroprocesszor megalkotása volt. Ez a 8 bites processzor az 1970-es években jelent meg a piacon, és számos gyakorlati alkalmazásra talált. A haladás gyorsan exponenciálissá vált. Gordon Moore, az Intel egyik alapítója 1965-ben azt jósolta, hogy az integrált áramkörökben lévő tranzisztorok száma 18 havonta megduplázódik. A ma Moore-törvényként ismert előrejelzése még mindig pontos, bár az utóbbi években ez az arány 24 hónapra lassult. Jelenleg az elektrotechnikában vannak olyan technológiák, amelyek több milliárd tranzisztorból álló rendszerek létrehozását teszik lehetővé, és ezek képességei folyamatosan bővülnek.
Hogyan épül fel egy integrált áramkör?
Mi is pontosan a mikroprocesszor és hogyan épül fel? Több réteg félvezető, dielektrikum és fém anyagból áll. A teljes szerkezet alapja egy vékony, lapos szilíciumdarab, azaz egy ostya, amelyre a következő rétegeket rakják le. A szilícium fontos anyag az integrált áramkörök gyártásához, mivel egyedülálló félvezető tulajdonságait és széles hőmérsékleti tartományban képes működni.
A szilícium lapka tranzisztorokat tartalmaz, amelyek az integrált áramkör alapelemei. Ezek miniatűr kapcsolók, amelyek lehetővé teszik az elektromos áram áramlásának szabályozását. A modern processzorok akár több tucat milliárdot is tartalmazhatnak.
Az integrált áramkörök gyártási folyamata fotolitográfián alapul. A szilícium ostya elkészítése után vékony réteg fényérzékeny anyagot viszünk fel rá. Ezután ultraibolya fény és speciális sablon segítségével a tábla egy meghatározott részét fény éri, a korábban kialakított csatlakozási mintának megfelelően. Az anyag szabadon lévő részeit megkeményítjük, a fennmaradó részeket pedig vegyi úton eltávolítjuk. Az ostya szabaddá vált töredékeit ezután maratják, ami lehetővé teszi a megfelelő struktúrák létrehozását a félvezetőben.
A következő lépés a különböző vezetőképes és szigetelő anyagok rétegeinek elhelyezése. Minden rétegnek megvannak a maga sajátos funkciói - vezető utakat hoz létre, elszigeteli az elemeket egymástól vagy tranzisztor-struktúrákat hoz létre. A vezető utak létrehozására leggyakrabban használt anyag a réz, amely kiváló elektromos vezető. Az integrált áramkörök építése során nagyon fontos, hogy minden réteg pontosan legyen felhordva, és tökéletesen illeszkedjen a többi réteghez, ami nagy pontosságot igényel.
Az integrált áramkörön belül a tranzisztorok fémpályákon kapcsolódnak egymáshoz, amelyek elektromos jeleket vezetnek. Ezeket gondosan meg kell tervezni és végre kell hajtani – ezen múlik az egész rendszer hatékonysága és megbízhatósága. A modern processzorok több milliárd csatlakozással rendelkeznek, ami nagymértékben megnehezíti a felépítésüket. A fémpályák a fotolitográfiás eljárás során kerülnek lerakásra, akárcsak a rendszer többi eleme. Minden nyomréteget dielektromos anyagokkal izolálnak az előzőtől, ami megakadályozza a rövidzárlatot.
Az integrált áramkörök alaptípusai
A feldolgozott jelek típusa miatt kétféle digitális áramkör létezik. Az első a digitális integrált áramkörök, az integrált áramkörök leggyakoribb típusa, amelyek bináris jelekkel dolgoznak (0 és 1 értékkel). Logikai és aritmetikai műveletekben használatosak. Az ilyen típusú rendszerek képezik a számítógépes processzorok és sok más vezérlőrendszer alapját – széles körben használják őket az informatikai infrastruktúra .
A második típus analóg integrált áramkörök, amelyeket folyamatos analóg jelekre terveztek. Ezek a jelek egy meghatározott tartományon belül bármilyen értéket felvehetnek. Az analóg áramköröket gyakran használják kommunikációs és audiorendszerekben. Fő típusaik a műveleti erősítők, oszcillátorok, analóg-digitális átalakítók (ADC-k) és digitális-analóg konverterek (DAC), valamint memóriachipek.
Integrált áramkörök működési elve
Az integrált áramkörök minden modern elektronikai eszköz alapját képezik. Ennek a technológiának köszönhetően lehetővé vált a berendezés miniatürizálása és hatékonyságának többszörös növelése. Típusaik sokfélesége és az egyes típusok digitális és analóg jelek feldolgozására való képessége azt jelenti, hogy a ma gyártott számítógépek és vezérlők összetett feladatok elvégzésére is alkalmasak. Lehetőségeik - a tranzisztorok növekvő számának köszönhetően - évről évre bővülnek, ami lehetővé teszi, hogy olyan projekteket valósítsunk meg, amelyek több évtizeddel ezelőtt a sci-fi tartományába tartoztak. Az iparág jövője minden bizonnyal még nagyobb innovációkat hoz – és az elkövetkező években.
Ellenőrizze az informatikai infrastruktúrát az Onninen nagykereskedőjénél