Az első számítógépek egész épületeknyi helyet foglaltak el, számítási teljesítményük pedig milliószor alacsonyabb volt, mint a mai olcsó és kis eszközöké. Ez az állapot nemcsak az akkori alkatrészek alacsony hatásfokának volt az eredménye, hanem annak is, hogy egy nagy elem csak egyetlen feladatot tudott ellátni. Az elektronikus eszközök miniatürizálása felé tett legfontosabb lépés az integrált áramkör feltalálása volt.
Ellenőrizze az Onninen nagykereskedő informatikai infrastruktúráját
Az első integrált áramkör. Milyen alkalmazásai voltak a legrégebbi áramköröknek?
Az integrált áramkör létrehozására tett első kísérletet Geoffrey Dummer tette az 1940-es évek végén. Bár sikerült megteremtenie az ilyen megoldások elméleti alapjait, magát az áramkört nem ő alkotta meg. Két kutató – Jack Kilbie (Texas Instruments) és Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) – által egymástól függetlenül, két különböző cég – a mérnöki munka – égisze alatt végzett projektjei azonban sikeresek voltak.
Az elsőként – 1958-ban – Kilby által létrehozott áramkört mutatták be, és őt tekintik a találmány megalkotójának (42 évvel később Nobel-díjat kapott érte). A háza számos tranzisztort és egyéb elemet tartalmazott, aminek köszönhetően olyan feladatokat is el tudott látni, amelyek korábban sok komponensre voltak elosztva, és a tápegység is közös volt mindenki számára. Eleinte az integrált áramköröket szigorúan meghatározott céllal állították elő. Az akkori eszközök többek között flip-flopként, erősítőkként vagy számítástechnikai rendszerekként (SSI – Small Scale Integration) működtek. A technológia fejlődésével az integrált áramkörök összetettebb komponensekként – dekóderekként, számlálókként vagy regiszterekként – is használhatók voltak (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesszorok és digitális integrált áramkörök
Egy másik áttörés, amely lehetővé tette a modern elektronika fejlődését és jelenlegi képességeinek elérését, a mikroprocesszor megalkotása volt. A kifejlesztéséért Marcian "Ted" Hoff, az Intel mérnöke felelt. Az Intel 4004, a hardver debütálásakor, a teljes processzort egyetlen integrált áramkörbe integrálta. Bár a mai mércével mérve kezdetleges rendszernek számított, egy új korszak kezdetét jelentette a számítástechnika történetében. 2300 tranzisztorral volt felszerelve, és egy 4 bites gépi szóval működött. Az órajelfrekvenciája mindössze 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 alkalmazást talált. A fejlődés gyorsan exponenciális ütemre tett szert. Gordon Moore, az Intel egyik alapítója 1965-ben azt jósolta, hogy az integrált áramkörökben található tranzisztorok száma 18 havonta megduplázódik. Jóslata, amelyet ma Moore törvényeként ismerünk, továbbra is pontos, bár az utóbbi években ez a ütem 24 hónapra lassult. Manapság az elektrotechnika rendelkezik a technológiákkal több milliárd tranzisztorból álló áramkörök előállításához, és ezek képességei folyamatosan bővülnek.
Hogyan épül fel egy integrált áramkör?
Mi is pontosan egy mikroprocesszor, és hogyan épül fel? Több félvezető, dielektromos és fémes anyagrétegből áll. A teljes szerkezet alapja egy vékony, lapos szilíciumdarab, egy ostya, amelyre a további rétegeket viszik fel. A szilícium fontos anyag az integrált áramkörök gyártásához, egyedi félvezető tulajdonságai és a széles hőmérsékleti tartományban való működési képessége miatt.
A szilíciumlapka tranzisztorokat tartalmaz, amelyek az integrált áramkör alapelemei. Ezek miniatűr kapcsolók, amelyek lehetővé teszik az elektromos áram áramlásának szabályozását. A modern processzorokban akár több tízmilliárd is lehet belőlük.
Az integrált áramkörök gyártási folyamata a fotolitográfián alapul. A szilíciumlapka előkészítése után egy vékony réteg fényérzékeny anyagot visznek fel rá. Ezután ultraibolya fény és egy speciális sablon segítségével a lapka egy adott részét megvilágítják egy előre megtervezett csatlakozási minta szerint. Az anyag szabadon lévő részeit megkeményítik, a megmaradt részeket kémiailag eltávolítják. A lapka szabadon lévő részeit ezután maratják, ami lehetővé teszi a félvezetőben megfelelő struktúrák létrehozását.
A következő lépés különféle vezető és szigetelő anyagok rétegeinek elhelyezése. Minden rétegnek megvan a saját specifikus funkciója – vezető útvonalakat hoz létre, elemeket szigetel egymástól, vagy tranzisztoros struktúrákat hoz létre. A vezető útvonalak létrehozására leggyakrabban használt anyag a réz, amely tökéletesen vezeti az elektromos áramot. Az integrált áramkörök építése során nagyon fontos, hogy minden réteget pontosan felhordjanak és tökéletesen illeszkedjenek a többi réteghez, ami nagy pontosságot igényel.
Az integrált áramkörön belül a tranzisztorok fémes útvonalakon keresztül kapcsolódnak egymáshoz, amelyek elektromos jeleket vezetnek. Ezeket gondosan kell megtervezni és elkészíteni – ettől függ a teljes rendszer hatékonysága és megbízhatósága. A modern processzorok több milliárd csatlakozással rendelkeznek, ami nagymértékben bonyolítja a konstrukciójukat. A fotolitográfiai eljárásban, a rendszer más elemeihez hasonlóan, fém útvonalakat alkalmaznak. Az útvonalak minden rétegét dielektromos anyagokkal választják el az előzőtől, ami megakadályozza a rövidzárlatokat.
Az integrált áramkörök alaptípusai
A feldolgozott jelek típusa miatt kétféle digitális rendszer létezik. Az első a digitális integrált áramkör, amely a leggyakoribb integrált áramkör típus, bináris jelekkel (0 és 1 értékekkel) működik. Logikai és aritmetikai műveletekben használják. Az ilyen típusú rendszerek a számítógépes processzorok és számos más vezérlőrendszer alapját képezik - általában az informatikai infrastruktúra használja őket.
A második típus az analóg integrált áramkörök, amelyeket folyamatos analóg jelekhez terveztek. Ezek a jelek egy meghatározott tartományon belül bármilyen értéket felvehetnek. Az analóg áramköröket gyakran használják kommunikációs és audiorendszerekben. Fő típusaik az operációs erősítők, oszcillátorok, analóg-digitális átalakítók (ADC) és digitális-analóg átalakítók (DAC), valamint memóriachipek.
Az integrált áramkörök működési elve
Az integrált áramkörök minden modern elektronikus eszköz alapját képezik. Ez a technológia lehetővé tette a berendezések miniatürizálását és hatékonyságuk sokszoros növelését. 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 képesek. Képességeik – a tranzisztorok számának növekedésével – évről évre bővülnek, ami lehetővé teszi számunkra olyan projektek megvalósítását, amelyek néhány évtizeddel ezelőtt még a sci-fi területei voltak. Az iparág jövője minden bizonnyal még nagyobb innovációkat hoz – és ezt az elkövetkező években.
Ellenőrizze az Onninen nagykereskedő informatikai infrastruktúráját