Datortehnoloģijas attīstās ārkārtīgi strauji. Ir jauni izkārtojumi un izstrādes, kurām jāatbilst arvien pieaugošām prasībām. Viena no interesantākajām lietām ir ļoti lielā integrālā shēma. Kas tas ir? Kāpēc viņai ir tāds vārds? Mēs zinām, kā apzīmē VLSI, bet kā tas izskatās praksē? Kur tie tiek izmantoti?
Attīstības vēsture
Sešdesmito gadu sākumā parādījās pirmās pusvadītāju mikroshēmas. Kopš tā laika mikroelektronika ir nogājusi garu ceļu no vienkāršiem loģiskiem elementiem līdz vissarežģītākajām digitālajām ierīcēm. Mūsdienu sarežģīti un daudzfunkcionāli datori var darboties uz viena pusvadītāja monokristāla, kura laukums ir viens kvadrātcentimetrs.
Viņiem kaut kā vajadzēja būtklasificēt un atšķirt. Ļoti liela integrālā shēma (VLSI) ir nosaukta tāpēc, ka bija nepieciešams apzīmēt mikroshēmu, kurā integrācijas pakāpe pārsniedza 104 elementus vienā mikroshēmā. Tas notika septiņdesmito gadu beigās. Dažu gadu laikā kļuva skaidrs, ka tas ir vispārējais mikroelektronikas virziens.
Tātad, ļoti lielā integrālā shēma ir nosaukta, jo bija nepieciešams klasificēt visus sasniegumus šajā jomā. Sākotnēji mikroelektronika tika veidota uz montāžas operācijām, un tā nodarbojās ar sarežģītu funkciju ieviešanu, apvienojot daudzus elementus vienā lietā.
Un ko tad?
Sākotnēji ievērojama daļa no saražotās produkcijas sadārdzinājuma bija tieši montāžas procesā. Galvenie posmi, kas bija jāiziet katram produktam, ir komponentu savienojumu projektēšana, ieviešana un pārbaude. Funkcijas, kā arī praksē realizēto ierīču izmērus ierobežo tikai izmantoto komponentu skaits, to uzticamība un fiziskie izmēri.
Tātad, ja viņi saka, ka kāda ļoti liela integrālā shēma sver vairāk nekā 10 kg, tas ir pilnīgi iespējams. Vienīgais jautājums ir tik liela komponentu bloka izmantošanas racionalitāte.
Attīstība
Vēlos izdarīt vienu nelielu atkāpi. Vēsturiski integrālās shēmas ir piesaistījušas to mazais izmērs un svars. Lai gan pamazām, attīstoties, radās iespējas arvien tuvākelementu izvietojums. Un ne tikai. Tas ir jāsaprot ne tikai kā kompakts izvietojums, bet arī kā ergonomisko rādītāju uzlabošanās, veiktspējas palielināšana un darbības uzticamības līmenis.
Īpaša uzmanība jāpievērš materiāla un enerģijas rādītājiem, kas ir tieši atkarīgi no katrai sastāvdaļai izmantotā kristāla laukuma. Tas lielā mērā bija atkarīgs no izmantotās vielas. Sākotnēji germānija tika izmantota pusvadītāju izstrādājumiem. Taču laika gaitā to aizstāja silīcijs, kuram ir pievilcīgākas īpašības.
Kas tagad tiek izmantots?
Tāpēc mēs zinām, ka ļoti lielajai integrālajai shēmai ir šāds nosaukums, jo tajā ir daudz komponentu. Kādas tehnoloģijas pašlaik tiek izmantotas to radīšanai? Visbiežāk tiek runāts par dziļo submikronu reģionu, kas ļauj panākt efektīvu komponentu izmantošanu 0,25-0,5 mikronos, un nanoelektroniku, kur elementi tiek mērīti nanometros. Turklāt pirmais pakāpeniski kļūst par vēsturi, bet otrajā tiek veikti arvien vairāk atklājumu. Šeit ir īss topošo izstrādņu saraksts:
- Īpaši lielas silīcija shēmas. Tiem ir minimālie komponentu izmēri dziļajā submikronu reģionā.
- Ātrdarbīgas heterosavienojuma ierīces un integrālās shēmas. Tie ir izgatavoti uz silīcija, germānija, gallija arsenīda, kā arī vairākiem citiem savienojumiem.
- Nanomēroga ierīču tehnoloģija, no kurām atsevišķi jāmin nanolitogrāfija.
Lai gan šeit ir norādīti mazie izmēri, taču nevajag kļūdīties, kurš irizcila īpaši liela integrālā shēma. Tā kopējie izmēri var atšķirties centimetros un dažās konkrētās ierīcēs pat metros. Mikrometri un nanometri ir tikai atsevišķu elementu (piemēram, tranzistoru) izmēri, un to skaits var būt miljardos!
Neskatoties uz šādu skaitli, var gadīties, ka īpaši liela mēroga integrālā shēma sver vairākus simtus gramu. Lai gan iespējams, ka tas būs tik smags, ka pat pieaugušais to nevar pacelt pats.
Kā tie tiek izveidoti?
Apskatīsim mūsdienu tehnoloģijas. Tātad, lai izveidotu īpaši tīrus pusvadītāju vienkristālu materiālus, kā arī tehnoloģiskos reaģentus (tostarp šķidrumus un gāzes), jums ir nepieciešams:
- Nodrošiniet īpaši tīrus darba apstākļus vafeļu apstrādes un transportēšanas zonā.
- Izstrādāt tehnoloģiskās darbības un izveidot iekārtu komplektu, kurā būs automatizēta procesu vadība. Tas ir nepieciešams, lai nodrošinātu noteikto apstrādes kvalitāti un zemu piesārņojuma līmeni. Lai gan nevajadzētu aizmirst par izveidoto elektronisko komponentu augsto veiktspēju un uzticamību.
Vai tas ir joks, kad tiek veidoti elementi, kuru izmērus aprēķina nanometros? Diemžēl cilvēkam nav iespējams veikt darbības, kurām nepieciešama fenomenāla precizitāte.
Kā ar vietējiem ražotājiem?
KāpēcVai īpaši lielā integrālā shēma ir cieši saistīta ar ārvalstu attīstību? Pagājušā gadsimta 50. gadu sākumā PSRS ieņēma otro vietu elektronikas attīstībā. Taču šobrīd vietējiem ražotājiem ir ārkārtīgi grūti konkurēt ar ārvalstu uzņēmumiem. Tomēr tas nav slikti.
Tādējādi, runājot par sarežģītu zinātniski ietilpīgu produktu izveidi, varam droši teikt, ka Krievijas Federācijai tagad ir gan apstākļi, gan personāls, gan zinātniskais potenciāls. Ir diezgan daudz uzņēmumu un iestāžu, kas var izstrādāt dažādas elektroniskās ierīces. Tiesa, tas viss ir pieejams diezgan ierobežotā apjomā.
Tātad, bieži vien izstrādei tiek izmantotas augsto tehnoloģiju "izejvielas", piemēram, VLSI atmiņa, mikroprocesori un kontrolleri, kas ražoti ārzemēs. Taču tajā pašā laikā dažas signālu apstrādes un aprēķinu problēmas tiek atrisinātas programmatiski.
Lai gan nevajadzētu pieņemt, ka mēs varam tikai iegādāties un salikt aprīkojumu no dažādām sastāvdaļām. Ir arī vietējās procesoru, kontrolleru, īpaši liela mēroga integrālo shēmu un citu izstrādņu versijas. Bet diemžēl tie nevar konkurēt ar pasaules līderiem to efektivitātes ziņā, kas apgrūtina to komerciālo ieviešanu. Taču to izmantošana sadzīves sistēmās, kur nav nepieciešama liela jauda vai jārūpējas par uzticamību, ir pilnīgi iespējama.
PLC programmējamai loģikai
Šis ir atsevišķi piešķirts daudzsološs attīstības veids. Viņi ir ārpus konkurences tajās jomās, kur jums ir jāradaaugstas veiktspējas specializētas ierīces, kas vērstas uz aparatūras ieviešanu. Pateicoties tam, tiek atrisināts uzdevums paralizēt apstrādes procesu un veiktspēja palielinās desmitkārtīgi (salīdzinot ar programmatūras risinājumiem).
Būtībā šīm īpaši liela mēroga integrētajām shēmām ir daudzpusīgi, konfigurējami funkciju pārveidotāji, kas ļauj lietotājiem pielāgot savienojumus starp tām. Un tas viss ir uz viena kristāla. Rezultāts ir īsāks būvniecības cikls, ekonomisks ieguvums neliela apjoma ražošanai un iespēja veikt izmaiņas jebkurā projektēšanas posmā.
Programmējamu loģikas īpaši lielu integrālo shēmu izstrāde aizņem vairākus mēnešus. Pēc tam tie tiek konfigurēti pēc iespējas īsākā laikā - un tas viss notiek ar minimālu izmaksu līmeni. Ir dažādi ražotāji, arhitektūra un viņu radīto produktu iespējas, kas ievērojami palielina spēju veikt uzdevumus.
Kā tos klasificē?
Parasti izmanto šim nolūkam:
- Loģiskā kapacitāte (integrācijas pakāpe).
- Iekšējās struktūras organizācija.
- Izmantotā programmējamā vienuma veids.
- Funkciju pārveidotāja arhitektūra.
- Iekšējās RAM klātbūtne/nav.
Katra prece ir pelnījusi uzmanību. Diemžēl raksta apjoms ir ierobežots, tāpēc mēs izskatīsim tikai vissvarīgāko komponentu.
Kas irloģiskā kapacitāte?
Šī ir vissvarīgākā funkcija ļoti liela mēroga integrālajām shēmām. Tranzistoru skaits tajos var būt miljardos. Bet tajā pašā laikā to izmērs ir vienāds ar nožēlojamu mikrometra daļu. Bet konstrukciju dublēšanas dēļ loģiskā kapacitāte tiek mērīta ar vārtu skaitu, kas nepieciešams ierīces ieviešanai.
To apzīmēšanai tiek izmantoti simtiem tūkstošu un miljonu vienību rādītāji. Jo augstāka ir loģiskās kapacitātes vērtība, jo vairāk iespēju mums var piedāvāt īpaši liela mēroga integrālā shēma.
Par sasniegtajiem mērķiem
VLSI sākotnēji tika izveidots piektās paaudzes mašīnām. To ražošanā viņi vadījušies pēc straumēšanas arhitektūras un inteliģentas cilvēka un mašīnas saskarnes ieviešanas, kas ne tikai nodrošinās sistemātisku problēmu risinājumu, bet arī nodrošinās Mašai iespēju loģiski domāt, pašam mācīties un zīmēt loģiski. secinājumi.
Tika pieņemts, ka saziņa notiks dabiskā valodā, izmantojot runas formu. Nu tā vai citādi tas tika īstenots. Tomēr tas joprojām ir tālu no ideālu īpaši lielu integrālo shēmu pilnvērtīgas izveides bez problēmām. Bet mēs, cilvēce, ar pārliecību virzāmies uz priekšu. VLSI dizaina automatizācijai ir liela nozīme.
Kā jau minēts iepriekš, tas prasa daudz cilvēku un laika resursu. Tāpēc, lai ietaupītu naudu, automatizācija tiek plaši izmantota. Galu galā, kad ir nepieciešams izveidot savienojumus starp miljardiemkomponenti, pat vairāku desmitu cilvēku komanda tam pavadīs gadus. Tā kā automatizācija to var paveikt dažu stundu laikā, ja ir noteikts pareizais algoritms.
Turpmāka samazināšana šobrīd šķiet problemātiska, jo mēs jau tuvojamies tranzistoru tehnoloģijas robežai. Jau tagad mazākie tranzistori ir tikai dažus desmitus nanometru lieli. Ja mēs tos samazināsim vairākus simtus reižu, tad mēs vienkārši nonāksim atoma izmēros. Tas neapšaubāmi ir labi, bet kā virzīties uz priekšu elektronikas efektivitātes paaugstināšanas ziņā? Lai to izdarītu, jums ir jāiet uz jaunu līmeni. Piemēram, lai izveidotu kvantu datorus.
Secinājums
Īpaši liela mēroga integrālās shēmas ir būtiski ietekmējušas cilvēces attīstību un mūsu iespējas. Taču, visticamāk, tie drīz novecos un to vietā nāks kaut kas pavisam cits.
Galu galā, diemžēl, mēs jau tuvojamies iespēju robežai, un cilvēce nav pieradusi stāvēt uz vietas. Tāpēc, visticamāk, īpaši lielām integrālajām shēmām tiks piešķirts pienācīgs gods, pēc tam tās tiks aizstātas ar modernākām konstrukcijām. Taču pagaidām mēs visi izmantojam VLSI kā esošās radīšanas virsotni.
