Prvé počítače zaberali plochu celých budov a ich výpočtový výkon bol miliónkrát nižší ako u moderných, lacných a malých zariadení. Tento stav bol výsledkom nielen nízkej účinnosti vtedajších komponentov, ale aj toho, že jeden veľký prvok zvládol len jednu úlohu. Najdôležitejším krokom k miniaturizácii elektronických zariadení bol vynález integrovaného obvodu.
Skontrolujte si IT infraštruktúru u veľkoobchodníka Onninen
Prvý integrovaný obvod. Aké boli aplikácie najstarších systémov?
Prvý pokus o vytvorenie integrovaného obvodu urobil koncom štyridsiatych rokov Geoffrey Dummer. Podarilo sa mu síce vytvoriť teoretický základ pre takéto riešenia, no samotný systém nevytvoril. Projekty, ktoré nezávisle od seba realizovali dvaja výskumníci pod záštitou dvoch rôznych spoločností – Jacek Kilbie z Texas Instruments a Robert Noyce z Fairchild Semiconductor – však boli úspešné.
Systém, ktorý vytvoril Kilbie, bol predstavený ako prvý – v roku 1958 – a on je považovaný za tvorcu tohto vynálezu (o 42 rokov neskôr mu bola udelená Nobelova cena). V jeho kryte bolo umiestnených niekoľko tranzistorov a ďalších prvkov, vďaka čomu mohol plniť úlohy predtým rozdelené do mnohých komponentov a napájanie bolo spoločné pre všetky. Na začiatku sa integrované obvody vyrábali pre konkrétny účel. Zariadenia z tej doby fungovali okrem iného: ako klopné obvody, zosilňovače alebo výpočtové systémy (SSI – Small Scale Integration). S rozvojom tejto technológie by sa integrované obvody mohli využívať aj ako zložitejšie komponenty – dekodéry, čítače či registre (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesory a digitálne integrované obvody
Ďalším prelomom, ktorý umožnil modernej elektronike rozvíjať sa a dosiahnuť jej súčasné schopnosti, bolo vytvorenie mikroprocesora. Za jeho vývoj bol zodpovedný Marcian „Ted“ Hoff, inžinier Intelu. Intel 4004, ako zariadenie debutovalo pod týmto názvom, integroval celý procesor do jedného integrovaného obvodu. Hoci to bol podľa dnešných štandardov primitívny systém, bol to začiatok novej éry v dejinách informatiky. Bol vybavený 2 300 tranzistormi a pracoval na 4-bitovom strojovom slove. Frekvencia hodín bola iba 740 kHz.
Ďalším krokom bolo vytvorenie mikroprocesora Intel 8080 Tento 8-bitový procesor sa objavil na trhu v 70. rokoch minulého storočia a našiel mnoho praktických aplikácií. Pokrok sa rýchlo stal exponenciálnym. Gordon Moore, jeden zo zakladateľov spoločnosti Intel, v roku 1965 predpovedal, že počet tranzistorov v integrovaných obvodoch sa zdvojnásobí každých 18 mesiacov. Jeho predpoveď, dnes známa ako Moorov zákon, je stále presná, aj keď v posledných rokoch sa toto tempo spomalilo na 24 mesiacov. V súčasnosti má elektrotechnika technológie umožňujúce vytvárať systémy pozostávajúce z miliárd tranzistorov a ich možnosti neustále rastú.
Ako je konštruovaný integrovaný obvod?
Čo je to vlastne mikroprocesor a ako je konštruovaný? Pozostáva z niekoľkých vrstiev polovodičových, dielektrických a kovových materiálov. Základom celej konštrukcie je tenký, plochý kúsok kremíka, teda plátok, na ktorý sa nanášajú následné vrstvy. Kremík je dôležitým materiálom na výrobu integrovaných obvodov vďaka svojim jedinečným polovodičovým vlastnostiam a schopnosti pracovať v širokom rozsahu teplôt.
Kremíkový plátok obsahuje tranzistory, ktoré sú základným prvkom integrovaného obvodu. Ide o miniatúrne spínače, ktoré umožňujú ovládať tok elektrického prúdu. Moderné procesory ich môžu obsahovať aj niekoľko desiatok miliárd.
Proces výroby integrovaných obvodov je založený na fotolitografii. Po príprave kremíkovej doštičky sa na ňu nanesie tenká vrstva fotosenzitívneho materiálu. Potom sa pomocou ultrafialového svetla a špeciálnej šablóny vystaví určitá časť dosky svetlu podľa predtým navrhnutého vzoru pripojenia. Odkryté miesta materiálu sa vytvrdia a zvyšné miesta sa chemicky odstránia. Odkryté úlomky doštičky sú následne vyleptané, čo umožňuje vytvorenie vhodných štruktúr v polovodiči.
Ďalším krokom je položenie vrstiev rôznych vodivých a izolačných materiálov. Každá vrstva má svoje špecifické funkcie – vytvára vodivé cesty, izoluje prvky od seba alebo vytvára tranzistorové štruktúry. Najčastejšie používaným materiálom na vytváranie vodivých ciest je meď, ktorá je výborným vodičom elektriny. V procese budovania integrovaných obvodov je veľmi dôležité, aby bola každá vrstva presne nanesená a dokonale zladená s ostatnými vrstvami, čo si vyžaduje veľkú presnosť.
Vo vnútri integrovaného obvodu sú tranzistory navzájom spojené kovovými dráhami, ktoré vedú elektrické signály. Tie musia byť starostlivo naplánované a realizované – závisí od toho účinnosť a spoľahlivosť celého systému. Moderné procesory majú miliardy pripojení, čo značne komplikuje ich konštrukciu. Kovové stopy sú uložené v procese fotolitografie, rovnako ako ostatné prvky systému. Každá vrstva stôp je izolovaná od predchádzajúcej pomocou dielektrických materiálov, čo zabraňuje skratom.
Základné typy integrovaných obvodov
Vzhľadom na typ spracovávaných signálov existujú dva typy digitálnych obvodov. Prvým sú digitálne integrované obvody, najbežnejší typ integrovaných obvodov, pracujúcich s binárnymi signálmi (s hodnotami 0 a 1). Používajú sa v logických a aritmetických operáciách. Systémy tohto typu tvoria základ počítačových procesorov a mnohých ďalších riadiacich systémov – sú široko používané v IT infraštruktúre .
Druhým typom sú analógové integrované obvody určené pre spojité analógové signály. Tieto signály môžu nadobudnúť akékoľvek hodnoty v rámci špecifikovaného 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. Vďaka tejto technológii bolo možné zariadenie miniaturizovať a mnohonásobne zvýšiť jeho účinnosť. Rozmanitosť ich typov a schopnosť jednotlivých typov spracovávať digitálne aj analógové signály znamená, že dnes vyrábané počítače a ovládače sú schopné vykonávať zložité úlohy. Ich schopnosti sa – vďaka narastajúcemu počtu tranzistorov – z roka na rok zvyšujú, čo nám umožňuje realizovať projekty, ktoré boli pred niekoľkými desaťročiami doménou sci-fi. Budúcnosť tohto odvetvia určite prinesie ešte väčšie inovácie – av nasledujúcich rokoch.