Primele computere ocupau spațiul unor clădiri întregi, iar puterea lor de calcul era de milioane de ori mai mică decât cea a dispozitivelor ieftine și mici de astăzi. Această stare de fapt a fost rezultatul nu numai al eficienței scăzute a componentelor la acea vreme, ci și al faptului că un element mare putea gestiona o singură sarcină. Cel mai important pas către miniaturizarea dispozitivelor electronice a fost inventarea circuitului integrat.
Verificați infrastructura IT la angrosistul Onninen
Primul circuit integrat. Ce aplicații au avut cele mai vechi circuite?
Prima încercare de a crea un circuit integrat a fost făcută la sfârșitul anilor 1940 de către Geoffrey Dummer. Deși a reușit să creeze bazele teoretice pentru astfel de soluții, nu a creat circuitul în sine. Cu toate acestea, proiecte realizate independent de doi cercetători sub egida a două companii diferite - Jack Kilbie de la Texas Instruments și Robert Noyce de la Fairchild Semiconductor - au avut succes.
Primul circuit prezentat – în 1958 – a fost un circuit creat de Kilby, fiind considerat creatorul acestei invenții (42 de ani mai târziu i s-a acordat Premiul Nobel pentru aceasta). Carcasa sa conținea mai mulți tranzistori și alte elemente, datorită cărora putea îndeplini sarcini distribuite anterior către mai multe componente, iar alimentarea era comună tuturor. La început, circuitele integrate au fost produse cu un scop strict definit. Dispozitivele din acea vreme funcționau, printre altele, ca bistabile, amplificatoare sau sisteme de calcul (SSI – Small Scale Integration). Odată cu dezvoltarea acestei tehnologii, circuitele integrate au putut fi utilizate 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 se dezvolte și să atingă capacitățile actuale a fost crearea microprocesorului. Persoana responsabilă pentru dezvoltarea sa a fost Marcian „Ted” Hoff - inginer la Intel. Intel 4004, ca hardware debutat, integra întregul procesor într-un singur circuit integrat. Deși, conform standardelor actuale, era un sistem primitiv, a devenit începutul unei noi ere în istoria informaticii. Era echipat cu 2.300 de tranzistoare și funcționa pe un cuvânt mașină pe 4 biți. Frecvența de ceas 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 numeroase aplicații practice. Progresul a căpătat rapid un ritm exponențial. Gordon Moore, unul dintre fondatorii Intel, a prezis în 1965 că numărul de tranzistoare din circuitele integrate se va dubla la fiecare 18 luni. Predicția sa, cunoscută acum sub numele de Legea lui Moore, este încă corectă, deși în ultimii ani acest ritm a încetinit la 24 de luni. Astăzi, ingineria electrică are tehnologiile necesare pentru a realiza circuite formate din miliarde de tranzistoare, iar capacitățile acestora sunt în continuă creștere.
Cum se construiește un circuit integrat?
Ce este mai exact un microprocesor și cum este construit? Acesta este alcătuit din mai multe straturi de materiale semiconductoare, dielectrice și metalice. Baza întregii structuri este o bucată subțire și plată de siliciu, o plachetă, pe care se aplică straturi ulterioare. Siliciul este un material important pentru producerea circuitelor integrate datorită proprietăților sale unice de semiconductoare și capacității de a funcționa într-un interval larg de temperatură.
Placheta de siliciu conține tranzistoare, care sunt elementul de bază al circuitului integrat. Acestea sunt niște comutatoare miniaturale care permit controlul fluxului de curent electric. În procesoarele moderne, pot exista chiar și zeci de miliarde de astfel de comutatoare.
Procesul de producție a circuitelor integrate se bazează pe fotolitografie. După prepararea unei plachete de siliciu, se aplică pe aceasta un strat subțire de material fotosensibil. Apoi, folosind lumină ultravioletă și un șablon special, o anumită parte a plachetei este expusă, conform unui model de conectare proiectat anterior. Zonele expuse ale materialului sunt întărite, iar cele rămase sunt îndepărtate chimic. Părțile expuse ale plachetei sunt apoi gravate, ceea ce permite crearea unor structuri adecvate în semiconductor.
Următorul pas este plasarea straturilor din diverse materiale conductoare și izolatoare. Fiecare strat are propriile funcții specifice - creează căi conductoare, izolează elementele unele de altele sau creează structuri tranzistoare. Cel mai frecvent utilizat material pentru crearea căilor conductoare este cuprul, care conduce perfect electricitatea. În procesul de construire a circuitelor integrate, este foarte important ca fiecare strat să fie aplicat cu precizie și perfect potrivit 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 realizate cu atenție – de acest lucru depinde eficiența și fiabilitatea întregului sistem. Procesoarele moderne au miliarde de conexiuni, ceea ce complică foarte mult construcția lor. Căi metalice sunt aplicate în procesul de fotolitografie, similar altor elemente ale sistemului. Fiecare strat de căi este izolat de cel precedent folosind materiale dielectrice, ceea ce previne scurtcircuitele.
Tipuri de bază de circuite integrate
Datorită tipului de semnale procesate, există două tipuri de sisteme digitale. Primele sunt circuitele integrate digitale, care sunt cel mai comun tip de circuite integrate, funcționând cu semnale binare (cu valorile 0 și 1). Acestea sunt utilizate în operații logice și aritmetice. Sistemele de acest tip stau la baza procesoarelor de computer și a multor alte sisteme de control - sunt utilizate în mod obișnuit de infrastructura IT .
Al doilea tip sunt circuitele integrate analogice concepute pentru semnale analogice continue. Aceste semnale pot lua orice valori într-un interval specificat. Circuitele analogice sunt adesea utilizate în sistemele de comunicații și audio. Principalele lor tipuri sunt amplificatoarele operaționale, oscilatoarele, convertoarele analog-digital (ADC) și convertoarele digital-analogic (DAC) și cipurile de memorie.
Principiul de funcționare al circuitelor integrate
Circuitele integrate sunt fundamentul tuturor dispozitivelor electronice moderne. Această tehnologie a făcut posibilă miniaturizarea echipamentelor și creșterea eficienței acestora de nenumărate ori. Varietatea tipurilor lor și capacitatea fiecărui tip de a procesa atât semnale digitale, cât și analogice înseamnă că computerele și controlerele produse astăzi sunt capabile să îndeplinească sarcini complexe. Capacitățile lor - datorită numărului tot mai mare de tranzistoare - cresc an de an, ceea ce ne permite să implementăm proiecte care erau domeniul science fiction-ului acum câteva decenii. Viitorul industriei va aduce cu siguranță inovații și mai mari - și asta în anii următori.