Prvi računari zauzimali su površinu čitavih zgrada, a njihova računarska snaga bila je milione puta manja od modernih, jeftinih i malih uređaja. Ovakvo stanje je rezultat ne samo niske efikasnosti komponenti u to vreme, vec i činjenice da je jedan veliki element mogao da se nosi sa samo jednim zadatkom. Najvažniji korak ka minijaturizaciji elektronskih uređaja bio je pronalazak integrisanog kola.
Proverite IT infrastrukturu kod Onninen veletrgovca
Prvo integrisano kolo. Koje su bile primene najstarijih sistema?
Prvi pokušaj da se napravi integrisano kolo napravio je kasnih 1940-ih Džefri Damer. Iako je uspeo da stvori teorijsku osnovu za takva rešenja, sam sistem nije stvorio. Međutim, projekti koje su dva istraživača izvela nezavisno pod okriljem dve različite kompanije - Jacek Kilbie iz Tekas Instruments i Robert Noice iz Fairchild Semiconductor - bili su uspešni.
Sistem koji je stvorio Kilbi prvi je predstavljen – 1958. godine – i on se smatra tvorcem ovog pronalaska (42 godine kasnije za njega je dobio Nobelovu nagradu). U njegovo kucište je postavljeno nekoliko tranzistora i drugih elemenata, zahvaljujuci kojima je mogao da obavlja zadatke prethodno podeljene na mnoge komponente, a napajanje je bilo zajedničko za sve. U početku su se integrisana kola proizvodila za određenu namenu. Uređaji iz tog vremena su radili, između ostalog: kao flip-flops, pojačala ili računarski sistemi (SSI – Small Scale Integration). Razvojem ove tehnologije, integrisana kola bi se mogla koristiti i kao složenije komponente – dekoderi, brojači ili registri (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesori i digitalna integrisana kola
Još jedno otkrice koje je omogucilo modernoj elektronici da se razvije i postigne svoje trenutne mogucnosti bilo je stvaranje mikroprocesora. Marcian "Ted" Hoff, Intelov inženjer, bio je odgovoran za njegov razvoj. Intel 4004, kao oprema koja je debitovala pod ovim imenom, integrisao je ceo procesor u jedno integrisano kolo. Iako je to bio primitivan sistem po današnjim standardima, bio je to početak nove ere u istoriji kompjuterske nauke. Opremljen je sa 2.300 tranzistora i funkcionisao je na 4-bitnoj mašinskoj reči. Frekvencija takta je bila samo 740 kHz.
Sledeci korak je bio stvaranje mikroprocesora Intel 8080. Ovaj 8-bitni procesor se pojavio na tržištu 1970-ih i pronašao je mnogo praktičnih primena. Napredak je brzo postao eksponencijalan. Gordon Mur, jedan od osnivača Intela, predvideo je 1965. da ce se broj tranzistora u integrisanim kolima udvostručiti svakih 18 meseci. Njegovo predviđanje, danas poznato kao Murov zakon, i dalje je tačno, iako je poslednjih godina ova stopa usporila na 24 meseca. Trenutno elektrotehnika poseduje tehnologije koje omogucavaju stvaranje sistema koji se sastoje od milijardi tranzistora, a njihove mogucnosti stalno rastu.
Kako se konstruiše integrisano kolo?
Šta je zapravo mikroprocesor i kako je konstruisan? Sastoji se od nekoliko slojeva poluprovodničkih, dielektričnih i metalnih materijala. Osnova cele strukture je tanak, ravan komad silicijuma, odnosno oblanda, na koji se nanose sledeci slojevi. Silicijum je važan materijal za proizvodnju integrisanih kola zbog svojih jedinstvenih poluprovodničkih svojstava i sposobnosti da rade u širokom temperaturnom opsegu.
Silicijumska pločica sadrži tranzistore, koji su osnovni element integrisanog kola. Ovo su minijaturni prekidači koji vam omogucavaju da kontrolišete protok električne struje. Savremeni procesori mogu da ih sadrže čak i nekoliko desetina milijardi.
Proces proizvodnje integrisanih kola zasniva se na fotolitografiji. Nakon pripreme silicijumske pločice, na nju se nanosi tanak sloj fotoosetljivog materijala. Zatim se pomocu ultraljubičastog svetla i posebnog šablona, određeni deo ploče izlaže svetlosti, prema prethodno projektovanoj šemi povezivanja. Izložena područja materijala su očvrsnuta, a preostale oblasti se hemijski uklanjaju. Izloženi fragmenti pločice se zatim urezuju, što omogucava stvaranje odgovarajucih struktura u poluprovodniku.
Sledeci korak je postavljanje slojeva različitih provodnih i izolacionih materijala. Svaki sloj ima svoje specifične funkcije - stvara provodne staze, izoluje elemente jedan od drugog ili stvara tranzistorske strukture. Najčešce korišceni materijal za stvaranje provodnih staza je bakar, koji je odličan provodnik struje. U procesu izgradnje integrisanih kola veoma je važno da se svaki sloj precizno nanese i savršeno uskladi sa ostalim slojevima, što zahteva veliku preciznost.
Unutar integrisanog kola, tranzistori su međusobno povezani metalnim stazama koje provode električne signale. Oni moraju biti pažljivo planirani i sprovedeni - od toga zavisi efikasnost i pouzdanost čitavog sistema. Savremeni procesori imaju milijarde priključaka, što u velikoj meri otežava njihovu konstrukciju. Metalni tragovi se talože u procesu fotolitografije, kao i ostali elementi sistema. Svaki sloj tragova je izolovan od prethodnog pomocu dielektričnih materijala, što sprečava kratke spojeve.
Osnovni tipovi integrisanih kola
Zbog vrste obrađenih signala, postoje dve vrste digitalnih kola. Prvi su digitalna integrisana kola, najčešci tip integrisanih kola, koji rade sa binarnim signalima (sa vrednostima 0 i 1). Koriste se u logičkim i aritmetičkim operacijama. Sistemi ovog tipa čine osnovu računarskih procesora i mnogih drugih kontrolnih sistema – oni se široko koriste u IT infrastrukturi .
Drugi tip su analogna integrisana kola dizajnirana za kontinuirane analogne signale. Ovi signali mogu poprimiti bilo koju vrednost unutar određenog opsega. Analogna kola se često koriste u komunikacijama i audio sistemima. Njihovi glavni tipovi su operacioni pojačavači, oscilatori, analogno-digitalni pretvarači (ADC) i digitalno-analogni pretvarači (DAC) i memorijski čipovi.
Princip rada integrisanih kola
Integrisana kola su osnova svih savremenih elektronskih uređaja. Zahvaljujuci ovoj tehnologiji, bilo je moguce minijaturizirati opremu i višestruko povecati njenu efikasnost. Raznolikost njihovih tipova i sposobnost pojedinih tipova da obrađuju i digitalne i analogne signale znači da su računari i kontroleri koji se danas proizvode u stanju da obavljaju složene zadatke. Njihove mogucnosti – zahvaljujuci sve vecem broju tranzistora – rastu iz godine u godinu, što nam omogucava da realizujemo projekte koji su pre nekoliko decenija bili domen naučne fantastike. Buducnost industrije ce sigurno doneti još vece inovacije – i to u narednim godinama.