Prvé počítače zaberali priestor celých budov a ich výpočtový výkon bol miliónkrát nižší ako u dnešných lacných a malých zariadení. Tento stav bol výsledkom nielen nízkej účinnosti vtedajších súčiastok, ale aj toho, že jeden veľký prvok dokázal zvládnuť iba jednu úlohu. Najdôležitejším krokom k miniaturizácii elektronických zariadení bol vynález integrovaného obvodu.
Skontrolujte IT infraštruktúru vo veľkoobchode Onninen
Prvý integrovaný obvod. Aké aplikácie mali najstaršie obvody?
Prvý pokus o vytvorenie integrovaného obvodu uskutočnil koncom 40. rokov 20. storočia Geoffrey Dummer. Hoci sa mu podarilo vytvoriť teoretické základy pre takéto riešenia, samotný obvod nevytvoril. Úspešné však boli projekty, ktoré nezávisle realizovali dvaja výskumníci pod záštitou dvoch rôznych spoločností – Jacka Kilbieho zo spoločnosti Texas Instruments a Roberta Noycea zo spoločnosti Fairchild Semiconductor.
Prvým, ktorý bol predstavený – v roku 1958 – bol obvod vytvorený Kilbym, ktorý je považovaný za tvorcu tohto vynálezu (o 42 rokov neskôr mu bola udelená Nobelova cena). Jeho puzdro obsahovalo niekoľko tranzistorov a ďalších prvkov, vďaka čomu mohol vykonávať úlohy, ktoré boli predtým rozdelené medzi mnoho komponentov, a napájanie bolo spoločné pre všetky. Spočiatku sa integrované obvody vyrábali s presne definovaným účelom. Zariadenia z tej doby fungovali okrem iného ako klopné obvody, zosilňovače alebo výpočtové systémy (SSI – Small Scale Integration). S rozvojom tejto technológie sa integrované obvody mohli používať aj ako zložitejšie komponenty – dekodéry, počítadlá alebo registre (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesory a digitálne integrované obvody
Ďalším prelomom, ktorý umožnil modernej elektronike rozvíjať sa a dosahovať súčasné možnosti, bolo vytvorenie mikroprocesora. Za jeho vývoj bol zodpovedný Marcian „Ted“ Hoff – inžinier v spoločnosti Intel. Intel 4004, ako debutoval hardvér, integroval celý procesor do jedného integrovaného obvodu. Hoci podľa dnešných štandardov išlo o primitívny systém, stal sa začiatkom novej éry v dejinách výpočtovej techniky. Bol vybavený 2 300 tranzistormi a pracoval na 4-bitovom strojovom slove. Taktovacia frekvencia bola iba 740 kHz.
Ďalším krokom bolo vytvorenie mikroprocesora Intel 8080. Tento 8-bitový procesor sa objavil na trhu v 70. rokoch 20. storočia a našiel mnoho praktických aplikácií. Pokrok rýchlo nabral exponenciálne tempo. Gordon Moore, jeden zo zakladateľov spoločnosti Intel, v roku 1965 predpovedal, že počet tranzistorov v integrovaných obvodoch sa bude zdvojnásobovať každých 18 mesiacov. Jeho predpoveď, dnes známa ako Moorov zákon, je stále presná, hoci v posledných rokoch sa toto tempo spomalilo na 24 mesiacov. Dnes má elektrotechnika technológie na výrobu obvodov pozostávajúcich z miliárd tranzistorov a ich možnosti neustále rastú.
Ako sa konštruuje integrovaný obvod?
Čo je vlastne mikroprocesor a ako je zostrojený? Skladá sa z niekoľkých vrstiev polovodičových, dielektrických a kovových materiálov. Základom celej štruktúry je tenký, plochý kus kremíka, doštička, na ktorú sa nanášajú následné vrstvy. Kremík je dôležitým materiálom na výrobu integrovaných obvodov vďaka svojim jedinečným polovodičovým vlastnostiam a schopnosti pracovať v širokom teplotnom rozsahu.
Kremíková doštička obsahuje tranzistory, ktoré sú základným prvkom integrovaného obvodu. Ide o miniatúrne spínače, ktoré umožňujú ovládať tok elektrického prúdu. V moderných procesoroch ich môže byť až desiatky miliárd.
Výrobný proces integrovaných obvodov je založený na fotolitografii. Po príprave kremíkovej doštičky sa na ňu nanesie tenká vrstva fotocitlivého materiálu. Následne sa pomocou ultrafialového svetla a špeciálnej šablóny exponuje špecifická časť doštičky podľa vopred navrhnutého vzoru zapojenia. Exponované oblasti materiálu sa vytvrdia a zvyšné sa chemicky odstránia. Exponované časti doštičky sa potom leptajú, čo umožňuje vytvorenie vhodných štruktúr v polovodiči.
Ďalším krokom je umiestnenie vrstiev rôznych vodivých a izolačných materiálov. Každá vrstva má svoje špecifické funkcie – vytvára vodivé dráhy, izoluje prvky od seba alebo vytvára tranzistorové štruktúry. Najčastejšie používaným materiálom na vytváranie vodivých dráh je meď, ktorá dokonale vedie elektrinu. V procese zostavovania integrovaných obvodov je veľmi dôležité, aby každá vrstva bola presne nanesená a dokonale zladená s ostatnými vrstvami, čo si vyžaduje veľkú presnosť.
Vo vnútri integrovaného obvodu sú tranzistory navzájom prepojené kovovými dráhami, ktoré vedú elektrické signály. Tieto musia byť starostlivo naplánované a vyrobené – od toho závisí účinnosť a spoľahlivosť celého systému. Moderné procesory majú miliardy prepojení, čo ich konštrukciu značne komplikuje. Kovové dráhy sa používajú v procese fotolitografie, podobne ako v prípade iných prvkov systému. Každá vrstva dráh je od predchádzajúcej izolovaná pomocou dielektrických materiálov, čo zabraňuje skratom.
Základné typy integrovaných obvodov
Vzhľadom na typ spracovávaných signálov existujú dva typy digitálnych systémov. Prvým sú digitálne integrované obvody, ktoré sú najbežnejším typom integrovaných obvodov a pracujú s binárnymi signálmi (s hodnotami 0 a 1). Používajú sa pri logických a aritmetických operáciách. Systémy tohto typu sú základom počítačových procesorov a mnohých ďalších riadiacich systémov – bežne ich používa IT infraštruktúra .
Druhým typom sú analógové integrované obvody určené pre spojité analógové signály. Tieto signály môžu nadobúdať ľubovoľné hodnoty v rámci určeného rozsahu. Analógové obvody sa často používajú v komunikačných a audio systémoch. Ich hlavnými typmi sú operačné zosilňovače, oscilátory, analógovo-digitálne prevodníky (ADC) a digitálno-analógové prevodníky (DAC) a pamäťové čipy.
Princíp činnosti integrovaných obvodov
Integrované obvody sú základom všetkých moderných elektronických zariadení. Táto technológia umožnila miniaturizovať zariadenia a mnohonásobne zvýšiť ich účinnosť. Rozmanitosť ich typov a schopnosť jednotlivých typov spracovávať digitálne aj analógové signály znamená, že počítače a riadiace jednotky vyrábané dnes sú schopné vykonávať zložité úlohy. Ich schopnosti – vďaka rastúcemu počtu tranzistorov – rastú rok čo rok, čo nám umožňuje realizovať projekty, ktoré boli pred niekoľkými desaťročiami doménou sci-fi. Budúcnosť tohto odvetvia určite prinesie ešte väčšie inovácie – a to v nasledujúcich rokoch.