Prvi računari su zauzimali prostor čitavih zgrada, a njihova računarska snaga je bila milione puta manja od one današnjih jeftinih i malih uređaja. Ovakvo stanje stvari je bio rezultat ne samo niske efikasnosti komponenti u to vreme, vec i činjenice da je jedan veliki element mogao da obavi samo jedan zadatak. Najvažniji korak ka minijaturizaciji elektronskih uređaja bio je izum integrisanog kola.
Proverite IT infrastrukturu kod veletrgovaca Onninen
Prvo integrisano kolo. Koje su primene imala najstarija kola?
Prvi pokušaj stvaranja integrisanog kola napravio je krajem 1940-ih Džefri Damer. Iako je uspeo da stvori teorijske osnove za takva rešenja, nije stvorio samo kolo. Međutim, projekti koje su nezavisno sprovela dva istraživača pod pokroviteljstvom dve različite kompanije – Džeka Kilbija iz Teksas Instrumentsa i Roberta Nojsa iz Ferčajld Semikonduktora – bili su uspešni.
Prvo koje je predstavljeno – 1958. godine – bilo je kolo koje je stvorio Kilbi, i on se smatra tvorcem ovog izuma (42 godine kasnije je za ovo nagrađen Nobelovom nagradom). Njegovo kucište je sadržalo nekoliko tranzistora i drugih elemenata, zahvaljujuci kojima je moglo da obavlja zadatke koji su ranije bili raspoređeni na mnoge komponente, a napajanje je bilo zajedničko za sve. U početku su se integrisana kola proizvodila sa strogo definisanom namenom. Uređaji iz tog vremena su radili, između ostalog, kao flip-flopovi, pojačavači ili računarski sistemi (SSI – Small Scale Integration). Razvojem ove tehnologije, integrisana kola su se mogla koristiti i kao složenije komponente – dekoderi, brojači ili registri (MSI – Medium Scale Integration).
Mikroprocesori i digitalna integrisana kola
Još jedan proboj koji je omogucio razvoj moderne elektronike i dostignuce trenutnih mogucnosti bio je stvaranje mikroprocesora. Osoba odgovorna za njegov razvoj bio je Marsijan „Ted“ Hof - inženjer u Intelu. Intel 4004, kada je hardver debitovao, integrisao je ceo procesor u jedno integrisano kolo. Iako je po današnjim standardima bio primitivan sistem, postao je početak nove ere u istoriji računarstva. Bio je opremljen sa 2.300 tranzistora i radio je na 4-bitnoj mašinskoj reči. Frekvencija takta bila je samo 740 kHz.
Sledeci korak bio je stvaranje mikroprocesora Intel 8080. Ovaj 8-bitni procesor pojavio se na tržištu 1970-ih i pronašao je mnoge praktične primene. Napredak je brzo dobio eksponencijalni tempo. Gordon Mur, jedan od osnivača kompanije Intel, predvideo je 1965. godine da ce se broj tranzistora u integrisanim kolima udvostručiti svakih 18 meseci. Njegovo predviđanje, sada poznato kao Murov zakon, i dalje je tačno, iako je poslednjih godina ovaj tempo usporen na 24 meseca. Danas elektrotehnika poseduje tehnologije za izradu kola koja se sastoje od milijardi tranzistora, a njihove mogucnosti stalno rastu.
Kako je konstruisano integrisano kolo?
Šta je tačno mikroprocesor i kako je napravljen? Sastoji se od nekoliko slojeva poluprovodničkih, dielektričnih i metalnih materijala. Osnova cele strukture je tanak, ravan komad silicijuma, pločica, na koju se nanose naknadni slojevi. Silicijum je važan materijal za proizvodnju integrisanih kola zbog svojih jedinstvenih poluprovodničkih svojstava i mogucnosti rada u širokom temperaturnom opsegu.
Silicijumska pločica sadrži tranzistore, koji su osnovni element integrisanog kola. To su minijaturni prekidači koji omogucavaju kontrolu protoka električne struje. U modernim procesorima može ih biti čak i desetine milijardi.
Proces proizvodnje integrisanih kola zasniva se na fotolitografiji. Nakon pripreme silicijumske pločice, na nju se nanosi tanak sloj fotosenzitivnog materijala. Zatim se, korišcenjem ultraljubičastog svetla i posebnog šablona, određeni deo pločice eksponira, prema prethodno dizajniranom obrascu povezivanja. Izložena područja materijala se očvršcavaju, a preostala se hemijski uklanjaju. Izloženi delovi pločice se zatim nagrizaju, 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 putanje, izoluje elemente jedne od drugih ili stvara tranzistorske strukture. Najčešce korišceni materijal za kreiranje provodnih putanja je bakar, koji savršeno provodi elektricitet. U procesu izgradnje integrisanih kola, veoma je važno da svaki sloj bude precizno nanet i savršeno usklađen sa ostalim slojevima, što zahteva veliku preciznost.
Unutar integrisanog kola, tranzistori su međusobno povezani metalnim putanjama koje provode električne signale. One moraju biti pažljivo planirane i napravljene – od toga zavisi efikasnost i pouzdanost celog sistema. Moderni procesori imaju milijarde veza, što znatno komplikuje njihovu konstrukciju. Metalne putanje se primenjuju u procesu fotolitografije, slično kao i kod drugih elemenata sistema. Svaki sloj putanja je izolovan od prethodnog pomocu dielektričnih materijala, što sprečava kratke spojeve.
Osnovni tipovi integrisanih kola
Zbog vrste signala koji se obrađuju, postoje dve vrste digitalnih sistema. Prva su digitalna integrisana kola, koja su najčešci tip integrisanih kola, rade sa binarnim signalima (sa vrednostima 0 i 1). Koriste se u logičkim i aritmetičkim operacijama. Sistemi ovog tipa su osnova računarskih procesora i mnogih drugih sistema upravljanja - najčešce ih koristi IT infrastruktura .
Drugi tip su analogna integrisana kola dizajnirana za kontinuirane analogne signale. Ovi signali mogu da poprime bilo koje vrednosti unutar određenog opsega. Analogna kola se često koriste u komunikacionim i audio sistemima. Njihovi glavni tipovi su operacioni pojačavači, oscilatori, analogno-digitalni konvertori (ADC) i digitalno-analogni konvertori (DAC) i memorijski čipovi.
Princip rada integrisanih kola
Integrisana kola su osnova svih modernih elektronskih uređaja. Ova tehnologija je omogucila minijaturizaciju opreme i višestruko povecanje njene efikasnosti. Raznovrsnost njihovih tipova i sposobnost pojedinačnih tipova da obrađuju i digitalne i analogne signale znači da računari i kontroleri koji se danas proizvode mogu 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 svakako doneti još vece inovacije – i to u narednim godinama.