Počítačová technológia sa vyvíja mimoriadne rýchlo. Existujú nové rozloženia a vývoj, ktoré musia spĺňať stále sa zvyšujúce požiadavky. Jednou z najzaujímavejších vecí je veľmi veľký integrovaný obvod. Čo to je? Prečo má také meno? Vieme, ako je skratka VLSI, ale ako to vyzerá v praxi? Kde sa používajú?
História vývoja
Začiatkom šesťdesiatych rokov sa objavili prvé polovodičové mikroobvody. Odvtedy prešla mikroelektronika dlhú cestu od jednoduchých logických prvkov k najzložitejším digitálnym zariadeniam. Moderné zložité a multifunkčné počítače môžu pracovať na jedinom polovodičovom monokryštále, ktorého plocha je jeden štvorcový centimeter.
Mali ste ich nejako maťklasifikovať a rozlišovať. Veľmi veľký integrovaný obvod (VLSI) je tak pomenovaný, pretože bolo potrebné označiť mikroobvod, v ktorom stupeň integrácie presahuje 104 prvkov na čip. Stalo sa to koncom sedemdesiatych rokov. V priebehu niekoľkých rokov sa ukázalo, že toto bol všeobecný smer pre mikroelektroniku.
Veľmi veľký integrovaný obvod je tak pomenovaný, pretože bolo potrebné klasifikovať všetky úspechy v tejto oblasti. Spočiatku bola mikroelektronika postavená na montážnych operáciách a zaoberala sa implementáciou zložitých funkcií kombinovaním mnohých prvkov do jednej veci.
A čo potom?
Spočiatku bola značná časť nárastu nákladov na vyrábané produkty práve v procese montáže. Hlavnými fázami, ktorými musel každý produkt prejsť, je návrh, implementácia a overenie spojení medzi komponentmi. Funkcie, ako aj rozmery zariadení, ktoré boli v praxi implementované, sú limitované výlučne počtom použitých komponentov, ich spoľahlivosťou a fyzickými rozmermi.
Ak teda povedia, že nejaký veľmi veľký integrovaný obvod váži viac ako 10 kg, je to celkom možné. Jedinou otázkou je racionálnosť použitia takého veľkého bloku komponentov.
Vývoj
Rád by som urobil ešte jednu malú odbočku. Historicky boli integrované obvody priťahované ich malými rozmermi a hmotnosťou. Aj keď postupne, s vývojom, boli príležitosti stále bližšieumiestnenie prvkov. A nielen to. Treba to chápať nielen ako kompaktné umiestnenie, ale aj ako zlepšenie ergonomických ukazovateľov, zvýšenie výkonu a úroveň prevádzkovej spoľahlivosti.
Osobitnú pozornosť treba venovať materiálovým a energetickým indikátorom, ktoré priamo závisia od plochy kryštálu použitej na komponent. To do značnej miery záviselo od použitej látky. Spočiatku sa germánium používalo na výrobu polovodičových výrobkov. Postupom času ho však nahradil kremík, ktorý má atraktívnejšie vlastnosti.
Čo sa teraz používa?
Vieme teda, že veľmi veľký integrovaný obvod je tak pomenovaný, pretože obsahuje veľa komponentov. Aké technológie sa v súčasnosti používajú na ich vytvorenie? Najčastejšie sa hovorí o hlbokej submikrónovej oblasti, ktorá umožňuje dosiahnuť efektívne využitie komponentov v 0,25-0,5 mikrónov, a nanoelektronike, kde sa prvky merajú v nanometroch. Navyše, prvý sa postupne stáva históriou a v druhom sa objavujú ďalšie a ďalšie objavy. Tu je krátky zoznam pripravovaného vývoja:
- Ultra veľké kremíkové obvody. Majú minimálne veľkosti komponentov v hlbokej submikrónovej oblasti.
- Vysokorýchlostné heteroprechodové zariadenia a integrované obvody. Sú postavené na báze kremíka, germánia, arzenidu gália, ako aj mnohých ďalších zlúčenín.
- Technológia zariadení nanometrov, z ktorých nanolitografiu treba spomenúť samostatne.
Hoci sú tu uvedené malé veľkosti, netreba sa mýliť, ktorá z nich jekonečný ultra veľký integrovaný obvod. Jeho celkové rozmery sa môžu líšiť v centimetroch, v niektorých špecifických zariadeniach aj v metroch. Mikrometre a nanometre sú len veľkosťou jednotlivých prvkov (napríklad tranzistorov) a ich počet môže byť v miliardách!
Napriek takémuto číslu sa môže stať, že ultra-veľký integrovaný obvod váži niekoľko stoviek gramov. Aj keď je možné, že bude taký ťažký, že ho sám neznesie zdvihnúť ani dospelý.
Ako vznikajú?
Pozrime sa na moderné technológie. Takže na vytvorenie ultračistých polovodičových monokryštálových materiálov, ako aj technologických činidiel (vrátane kvapalín a plynov), potrebujete:
- Zabezpečte mimoriadne čisté pracovné podmienky v oblasti spracovania a prepravy plátkov.
- Rozvinúť technologické operácie a vytvoriť zostavu zariadení, kde bude automatizované riadenie procesov. Je to potrebné na zabezpečenie špecifikovanej kvality spracovania a nízkej úrovne kontaminácie. Aj keď by sme nemali zabúdať na vysoký výkon a spoľahlivosť vytvorených elektronických komponentov.
Je to vtip, keď vznikajú prvky, ktorých veľkosť sa počíta v nanometroch? Bohužiaľ, je nemožné, aby osoba vykonávala operácie, ktoré si vyžadujú fenomenálnu presnosť.
A čo domáci výrobcovia?
PrečoJe ultra veľký integrovaný obvod silne spojený so zahraničným vývojom? Začiatkom 50. rokov minulého storočia zaujal ZSSR druhé miesto vo vývoji elektroniky. Teraz je však pre domácich výrobcov mimoriadne ťažké konkurovať zahraničným firmám. Nie je to však všetko zlé.
Pokiaľ ide o vytváranie komplexných produktov náročných na vedu, môžeme teda s istotou povedať, že Ruská federácia má teraz podmienky, personálny a vedecký potenciál. Existuje pomerne málo podnikov a inštitúcií, ktoré môžu vyvíjať rôzne elektronické zariadenia. Pravda, toto všetko existuje v dosť obmedzenom objeme.
Často sa teda stáva, keď sa na vývoj používajú high-tech „suroviny“, ako sú pamäte VLSI, mikroprocesory a ovládače vyrobené v zahraničí. Zároveň sa však určité problémy spracovania signálu a výpočtov riešia programovo.
Aj keď by sa nemalo predpokladať, že zariadenie môžeme výlučne nakupovať a zostavovať z rôznych komponentov. Existujú aj domáce verzie procesorov, radičov, ultra-veľkých integrovaných obvodov a ďalšieho vývoja. Ale, bohužiaľ, nemôžu konkurovať lídrom sveta, pokiaľ ide o ich efektívnosť, čo sťažuje ich komerčnú implementáciu. Ale ich použitie v domácich systémoch, kde nepotrebujete veľa energie alebo sa musíte postarať o spoľahlivosť, je celkom možné.
PLC pre programovateľnú logiku
Toto je samostatne pridelený sľubný typ vývoja. Sú mimo konkurencie v tých oblastiach, kde potrebujete tvoriťvysokovýkonné špecializované zariadenia zamerané na hardvérovú implementáciu. Vďaka tomu je vyriešená úloha paralelizácie procesu spracovania a výkon sa desaťnásobne zvyšuje (v porovnaní so softvérovými riešeniami).
Tieto mimoriadne rozsiahle integrované obvody majú v podstate všestranné, konfigurovateľné prevodníky funkcií, ktoré používateľom umožňujú prispôsobiť prepojenia medzi nimi. A to všetko na jednom kryštáli. Výsledkom je kratší cyklus výstavby, ekonomický prínos pre malosériovú výrobu a možnosť vykonávať zmeny v ktorejkoľvek fáze návrhu.
Vývoj ultraveľkých integrovaných obvodov s programovateľnou logikou trvá niekoľko mesiacov. Potom sú nakonfigurované v čo najkratšom čase - a to všetko pri minimálnej úrovni nákladov. Existujú rôzni výrobcovia, architektúry a možnosti produktov, ktoré vytvárajú, čo výrazne zvyšuje schopnosť dokončiť úlohy.
Ako sú klasifikované?
Na tento účel sa zvyčajne používa:
- Logická kapacita (stupeň integrácie).
- Organizácia vnútornej štruktúry.
- Typ použitej programovateľnej položky.
- Architektúra prevodníka funkcií.
- Prítomnosť/neprítomnosť internej pamäte RAM.
Každá položka si zaslúži pozornosť. Ale bohužiaľ, veľkosť článku je obmedzená, takže budeme brať do úvahy len najdôležitejšiu zložku.
Čo jelogická kapacita?
Toto je najdôležitejšia funkcia pre veľmi rozsiahle integrované obvody. Počet tranzistorov v nich môže byť v miliardách. No zároveň sa ich veľkosť rovná mizernému zlomku mikrometra. Ale kvôli redundancii štruktúr sa logická kapacita meria v počte brán, ktoré sú potrebné na implementáciu zariadenia.
Na ich označenie sa používajú indikátory stoviek tisícov a miliónov jednotiek. Čím vyššia je hodnota logickej kapacity, tým viac príležitostí nám môže ponúknuť ultra-veľký integrovaný obvod.
O sledovaných cieľoch
VLSI bol pôvodne vytvorený pre stroje piatej generácie. Pri ich výrobe sa riadili streamingovou architektúrou a implementáciou inteligentného rozhrania človek-stroj, ktoré poskytne nielen systematické riešenie problémov, ale poskytne Mashe aj možnosť logicky myslieť, samostatne sa učiť a logicky kresliť. závery.
Predpokladalo sa, že komunikácia bude prebiehať v prirodzenom jazyku pomocou rečovej formy. No tak či onak sa to zrealizovalo. No stále je to ešte ďaleko od plnohodnotného bezproblémového vytvárania ideálnych ultraveľkých integrovaných obvodov. Ale my, ľudstvo, ideme s istotou vpred. Automatizácia návrhu VLSI v tom hrá veľkú úlohu.
Ako už bolo spomenuté, vyžaduje si to veľa ľudských a časových zdrojov. Preto, aby sa ušetrili peniaze, automatizácia je široko používaná. Predsa vtedy, keď je potrebné nadviazať spojenia medzi miliardamikomponentov, strávi na ňom roky aj tím niekoľkých desiatok ľudí. Zatiaľ čo automatizácia to dokáže v priebehu niekoľkých hodín, ak je nastavený správny algoritmus.
Ďalšia redukcia sa teraz zdá problematická, keďže sa už blížime k hraniciam tranzistorovej technológie. Už teraz sú najmenšie tranzistory veľké len niekoľko desiatok nanometrov. Ak ich niekoľko stonásobne zmenšíme, potom jednoducho narazíme na rozmery atómu. To je nepochybne dobré, ale ako sa posunúť vpred v oblasti zvyšovania efektivity elektroniky? Aby ste to dosiahli, musíte prejsť na novú úroveň. Napríklad na vytvorenie kvantových počítačov.
Záver
Ultraveľké integrované obvody mali významný vplyv na rozvoj ľudstva a možnosti, ktoré máme. Je však pravdepodobné, že čoskoro zastarajú a nahradí ich niečo úplne iné.
Veď, bohužiaľ, už sa blížime k hranici možností a ľudstvo nie je zvyknuté stáť na mieste. Je preto pravdepodobné, že ultra veľké integrované obvody dostanú náležitú poctu, po ktorej ich nahradia pokročilejšie konštrukcie. Ale zatiaľ všetci používame VLSI ako vrchol existujúcej tvorby.
