Перші комп'ютери займали простір цілих будівель, а їхня обчислювальна потужність була в мільйони разів меншою, ніж у сучасних дешевих і малих пристроїв. Такий стан речей був результатом не лише низької ефективності компонентів на той час, але й того, що один великий елемент міг виконувати лише одне завдання. Найважливішим кроком до мініатюризації електронних пристроїв став винахід інтегральної схеми.
Перевірте ІТ-інфраструктуру оптового продавця Onninen
Перша інтегральна схема. Для чого використовувалися найстаріші схеми?
Першу спробу створити інтегральну схему зробив наприкінці 1940-х років Джеффрі Даммер. Хоча йому й вдалося створити теоретичні основи для таких рішень, саму схему він не створив. Однак проекти, виконані незалежно двома дослідниками під егідою двох різних компаній – Джеком Кілбі з Texas Instruments та Робертом Нойсом з Fairchild Semiconductor – були успішними.
Першою була представлена схема – у 1958 році – створена Кілбі, і саме його вважають творцем цього винаходу (42 роки потому йому було присуджено за це Нобелівську премію). Її корпус містив кілька транзисторів та інших елементів, завдяки чому вона могла виконувати завдання, які раніше розподілялися між багатьма компонентами, а джерело живлення було спільним для всіх. Спочатку інтегральні схеми вироблялися зі суворо визначеним призначенням. Пристрої того часу працювали, серед іншого, як тригери, підсилювачі або обчислювальні системи (SSI – Small Scale Integration). З розвитком цієї технології інтегральні схеми також могли використовуватися як складніші компоненти – декодери, лічильники або регістри (MSI – Medium Scale Integration).
Мікропроцесори та цифрові інтегральні схеми
Ще одним проривом, який дозволив сучасній електроніці розвиватися та досягати сучасних можливостей, стало створення мікропроцесора. Відповідальним за його розробку був Марсіан «Тед» Хофф – інженер компанії Intel. Intel 4004, коли дебютувало апаратне забезпечення, інтегрував весь процесор в одну інтегральну схему. Хоча за сучасними мірками це була примітивна система, вона стала початком нової ери в історії обчислювальної техніки. Вона була оснащена 2300 транзисторами та працювала на 4-бітному машинному слові. Тактова частота становила лише 740 кГц.
Наступним кроком було створення мікропроцесора Intel 8080. Цей 8-бітний процесор з'явився на ринку в 1970-х роках і знайшов багато практичних застосувань. Прогрес швидко набрав експоненціального темпу. Гордон Мур, один із засновників Intel, передбачив у 1965 році, що кількість транзисторів в інтегральних схемах подвоюватиметься кожні 18 місяців. Його прогноз, відомий зараз як закон Мура, досі точний, хоча в останні роки ці темпи сповільнилися до 24 місяців. Сьогодні електротехніка має технології для створення схем, що складаються з мільярдів транзисторів, і їхні можливості постійно зростають.
Як побудована інтегральна схема?
Що ж таке мікропроцесор і як він побудований? Він складається з кількох шарів напівпровідникових, діелектричних та металевих матеріалів. Основою всієї структури є тонкий, плоский шматок кремнію, пластина, на яку наносяться наступні шари. Кремній є важливим матеріалом для виробництва інтегральних схем завдяки своїм унікальним напівпровідниковим властивостям та здатності працювати в широкому діапазоні температур.
Кремнієва пластина містить транзистори, які є основним елементом інтегральної схеми. Це мініатюрні перемикачі, що дозволяють керувати потоком електричного струму. У сучасних процесорах їх може бути навіть десятки мільярдів.
Процес виробництва інтегральних схем базується на фотолітографії. Після підготовки кремнієвої пластини на неї наноситься тонкий шар світлочутливого матеріалу. Потім за допомогою ультрафіолетового світла та спеціального шаблону певна частина пластини експонується відповідно до попередньо розробленої схеми з'єднання. Відкриті ділянки матеріалу гартуються, а решта видаляються хімічно. Потім відкриті частини пластини протравлюються, що дозволяє створювати відповідні структури в напівпровіднику.
Наступний крок – розміщення шарів різних провідних та ізоляційних матеріалів. Кожен шар має свої специфічні функції – він створює провідні шляхи, ізолює елементи один від одного або створює транзисторні структури. Найчастіше використовуваним матеріалом для створення провідних шляхів є мідь, яка чудово проводить електрику. У процесі побудови інтегральних схем дуже важливо, щоб кожен шар був точно нанесений та ідеально узгоджений з іншими шарами, що вимагає великої точності.
Всередині інтегральної схеми транзистори з'єднані один з одним металевими доріжками, що проводять електричні сигнали. Вони повинні бути ретельно сплановані та виготовлені – від цього залежить ефективність та надійність усієї системи. Сучасні процесори мають мільярди з'єднань, що значно ускладнює їхню конструкцію. Металеві доріжки застосовуються в процесі фотолітографії, подібно до інших елементів системи. Кожен шар доріжок ізольований від попереднього за допомогою діелектричних матеріалів, що запобігає коротким замиканням.
Основні типи інтегральних схем
Залежно від типу оброблюваних сигналів, існують два типи цифрових систем. Перший – це цифрові інтегральні схеми, які є найпоширенішим типом інтегральних схем, що працюють з двійковими сигналами (зі значеннями 0 та 1). Вони використовуються в логічних та арифметичних операціях. Системи цього типу є основою комп'ютерних процесорів та багатьох інших систем керування – вони зазвичай використовуються ІТ-інфраструктурою .
Другий тип – це аналогові інтегральні схеми, призначені для безперервної обробки аналогових сигналів. Ці сигнали можуть приймати будь-які значення в заданому діапазоні. Аналогові схеми часто використовуються в системах зв'язку та аудіо. Їх основними типами є операційні підсилювачі, генератори, аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) та цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП), а також мікросхеми пам'яті.
Принцип роботи інтегральних схем
Інтегральні схеми є основою всіх сучасних електронних пристроїв. Ця технологія дозволила мініатюризувати обладнання та багаторазово підвищити його ефективність. Різноманітність їх типів та здатність окремих типів обробляти як цифрові, так і аналогові сигнали означає, що комп'ютери та контролери, що виробляються сьогодні, здатні виконувати складні завдання. Їхні можливості – завдяки зростаючій кількості транзисторів – зростають рік за роком, що дозволяє нам реалізовувати проекти, які кілька десятиліть тому були сферою наукової фантастики. Майбутнє галузі, безумовно, принесе ще більші інновації – і це в найближчі роки.