Primele calculatoare au ocupat suprafața întregii clădiri, iar puterea lor de calcul era de milioane de ori mai mică decât cea a dispozitivelor moderne, ieftine și mici. Această stare de lucruri a fost rezultatul nu numai al eficienței scăzute a componentelor la acel moment, ci și al faptului că un element mare putea face față doar unei sarcini. Cel mai important pas spre miniaturizarea dispozitivelor electronice a fost inventarea circuitului integrat.
Verificați infrastructura IT la angrosismul Onninen
Primul circuit integrat. Care au fost aplicațiile celor mai vechi sisteme?
Prima încercare de a crea un circuit integrat a fost făcută la sfârșitul anilor 1940 de Geoffrey Dummer. Deși a reușit să creeze o bază teoretică pentru astfel de soluții, nu a creat sistemul în sine. Cu toate acestea, proiectele realizate independent de doi cercetători sub egida a două companii diferite - Jacek Kilbie de la Texas Instruments și Robert Noyce de la Fairchild Semiconductor - au avut succes.
Sistemul creat de Kilbie a fost primul care a fost prezentat – în 1958 – și el este considerat creatorul acestei invenții (42 de ani mai târziu i s-a acordat Premiul Nobel pentru aceasta). În carcasa sa au fost amplasate mai multe tranzistoare și alte elemente, datorită cărora putea îndeplini sarcini împărțite anterior în mai multe componente, iar alimentarea cu energie era comună tuturor. La început, circuitele integrate au fost produse pentru un anumit scop. Dispozitivele din acel moment funcționau, printre altele: ca flip-flops, amplificatoare sau sisteme de calcul (SSI – Small Scale Integration). Odată cu dezvoltarea acestei tehnologii, circuitele integrate ar putea fi folosite și ca componente mai complexe - decodoare, contoare sau registre (MSI - Medium Scale Integration).
Microprocesoare și circuite integrate digitale
O altă descoperire care a permis electronicii moderne să dezvolte și să-și atingă capacitățile actuale a fost crearea microprocesorului. Marcian „Ted” Hoff, un inginer Intel, a fost responsabil pentru dezvoltarea sa. Intel 4004, pe măsură ce echipamentul a debutat sub acest nume, a integrat întregul procesor într-un singur circuit integrat. Deși a fost un sistem primitiv conform standardelor actuale, a fost începutul unei noi ere în istoria informaticii. Era echipat cu 2.300 de tranzistoare și funcționa pe un cuvânt mașină de 4 biți. Frecvența ceasului era de doar 740 kHz.
Următorul pas a fost crearea microprocesorului Intel 8080 Acest procesor pe 8 biți a apărut pe piață în anii 1970 și a găsit multe aplicații practice. Progresul a devenit rapid exponențial. Gordon Moore, unul dintre fondatorii Intel, a prezis în 1965 că numărul de tranzistori din circuitele integrate se va dubla la fiecare 18 luni. Predicția sa, cunoscută astăzi sub numele de Legea lui Moore, este încă exactă, deși în ultimii ani această rată a scăzut la 24 de luni. În prezent, ingineria electrică dispune de tehnologii care permit crearea de sisteme formate din miliarde de tranzistori, iar capacitățile acestora sunt în continuă creștere.
Cum este construit un circuit integrat?
Ce este exact un microprocesor și cum este construit? Este format din mai multe straturi de materiale semiconductoare, dielectrice și metalice. Baza întregii structuri este o bucată subțire și plată de siliciu, adică o napolitană, pe care sunt depuse straturile ulterioare. Siliciul este un material important pentru producerea de circuite integrate datorită proprietăților sale unice de semiconductor și a capacității de a funcționa într-o gamă largă de temperaturi.
Placa de siliciu conține tranzistori, care sunt elementul de bază al circuitului integrat. Acestea sunt întrerupătoare în miniatură care vă permit să controlați fluxul de curent electric. Procesoarele moderne pot conține chiar și câteva zeci de miliarde dintre ele.
Procesul de fabricație al circuitelor integrate se bazează pe fotolitografie. După pregătirea plachetei de siliciu, se aplică un strat subțire de material fotosensibil. Apoi, folosind lumină ultravioletă și un șablon special, o anumită parte a plăcii este expusă la lumină, conform modelului de conectare proiectat anterior. Zonele expuse ale materialului sunt întărite, iar zonele rămase sunt îndepărtate chimic. Fragmentele expuse ale plachetei sunt apoi gravate, ceea ce permite crearea unor structuri adecvate în semiconductor.
Următorul pas este să plasați straturi de diferite materiale conductoare și izolante. Fiecare strat are propriile sale funcții specifice - creează căi conductoare, izolează elementele unele de altele sau creează structuri de tranzistori. Cel mai des folosit material pentru a crea căi conductoare este cuprul, care este un excelent conductor de electricitate. În procesul de construire a circuitelor integrate, este foarte important ca fiecare strat să fie aplicat cu precizie și să se potrivească perfect cu celelalte straturi, ceea ce necesită o mare precizie.
În interiorul circuitului integrat, tranzistoarele sunt conectate între ele prin căi metalice care conduc semnale electrice. Acestea trebuie planificate și executate cu atenție - de ea depind eficiența și fiabilitatea întregului sistem. Procesoarele moderne au miliarde de conexiuni, ceea ce complică foarte mult construcția lor. Urmele metalice sunt depuse în procesul de fotolitografie, la fel ca și alte elemente ale sistemului. Fiecare strat de urme este izolat de cel anterior folosind materiale dielectrice, ceea ce previne scurtcircuitele.
Tipuri de bază de circuite integrate
Datorită tipului de semnale procesate, există două tipuri de circuite digitale. Primul este circuitele integrate digitale, cel mai comun tip de circuite integrate, care lucrează cu semnale binare (cu valorile 0 și 1). Sunt folosite în operații logice și aritmetice. Sistemele de acest tip constituie baza procesoarelor de calculator și a multor alte sisteme de control - sunt utilizate pe scară largă de infrastructura IT .
Al doilea tip sunt circuitele integrate analogice concepute pentru semnale analogice continue. Aceste semnale pot lua orice valoare într-un interval specificat. Circuitele analogice sunt adesea folosite în sistemele de comunicații și audio. Principalele lor tipuri sunt amplificatoare operaționale, oscilatoare, convertoare analog-digitale (ADC) și convertoare digital-analog (DAC) și cipuri de memorie.
Principiul de funcționare a circuitelor integrate
Circuitele integrate sunt fundamentul tuturor dispozitivelor electronice moderne. Datorită acestei tehnologii, a fost posibilă miniaturizarea echipamentului și creșterea eficienței acestuia de mai multe ori. Varietatea tipurilor lor și capacitatea tipurilor individuale de a procesa atât semnale digitale, cât și analogice înseamnă că calculatoarele și controlerele produse astăzi sunt capabile să îndeplinească sarcini complexe. Capacitățile lor - datorită unui număr tot mai mare de tranzistori - cresc de la an la an, ceea ce ne permite să implementăm proiecte care au fost domeniul science fiction cu câteva decenii în urmă. Viitorul industriei va aduce cu siguranță inovații și mai mari – și în următorii ani.