Datortekniken utvecklas extremt snabbt. Det finns nya layouter och utvecklingar som måste möta ständigt ökande krav. En av de mest intressanta sakerna är den mycket stora integrerade kretsen. Vad det är? Varför har hon ett sådant namn? Vi vet hur VLSI står för, men hur ser det ut i praktiken? Var används de?
Utvecklingshistorik
I början av sextiotalet dök de första halvledarmikrokretsarna upp. Sedan dess har mikroelektroniken kommit långt från enkla logiska element till de mest komplexa digitala enheterna. Moderna komplexa och multifunktionella datorer kan arbeta på en enskild halvledarkristall, vars area är en kvadratcentimeter.
Borde haft dem på något sättklassificera och särskilja. Mycket stor integrerad krets (VLSI) kallas så eftersom det fanns ett behov av att utse en mikrokrets, där integrationsgraden översteg 104 element per chip. Det hände i slutet av sjuttiotalet. Inom några år stod det klart att detta var den allmänna riktningen för mikroelektronik.
Så, den mycket stora integrerade kretsen heter så eftersom det var nödvändigt att klassificera alla prestationer inom detta område. Till en början byggde mikroelektronik på monteringsoperationer och var engagerad i implementeringen av komplexa funktioner genom att kombinera många element i en sak.
Och vad då?
Initi alt var en betydande del av kostnadsökningen för tillverkade produkter just i monteringsprocessen. De viktigaste stadierna som varje produkt måste gå igenom är design, implementering och verifiering av kopplingar mellan komponenter. Funktionerna, såväl som måtten på enheterna som har implementerats i praktiken, begränsas enbart av antalet komponenter som används, deras tillförlitlighet och fysiska dimensioner.
Så om de säger att någon mycket stor integrerad krets väger mer än 10 kg är det fullt möjligt. Den enda frågan är rationaliteten i att använda ett så stort block av komponenter.
Utveckling
Jag skulle vilja göra en liten avvikelse till. Historiskt sett har integrerade kretsar attraherats av sin ringa storlek och vikt. Även om det gradvis, med utvecklingen, fanns möjligheter för allt närmareplacering av element. Och inte bara. Detta ska inte bara förstås som en kompakt placering, utan också som en förbättring av ergonomiska indikatorer, en ökning av prestanda och en nivå av driftsäkerhet.
Särskild uppmärksamhet bör ägnas material- och energiindikatorer, som direkt beror på arean av kristallen som används per komponent. Detta berodde till stor del på vilket ämne som användes. Till en början användes germanium för halvledarprodukter. Men med tiden ersattes den av kisel, som har mer attraktiva egenskaper.
Vad används nu?
Så vi vet att den mycket stora integrerade kretsen heter så eftersom den innehåller många komponenter. Vilka tekniker används för närvarande för att skapa dem? Oftast talar man om den djupa submikronregionen, som gör det möjligt att uppnå effektiv användning av komponenter i 0,25-0,5 mikron, och nanoelektronik, där grundämnen mäts i nanometer. Dessutom blir den första gradvis historia, och i den andra görs fler och fler upptäckter. Här är en kort lista över utvecklingar som håller på att skapas:
- Ultra-stora kiselkretsar. De har minsta komponentstorlekar i det djupa submikronområdet.
- Höghastighetsheteroövergångsenheter och integrerade kretsar. De är byggda på basis av kisel, germanium, galliumarsenid, samt ett antal andra föreningar.
- Teknik för enheter i nanoskala, varav nanolitografi bör nämnas separat.
Även om små storlekar anges här, men det finns ingen anledning att missta sig om vilken som ärultimat ultra-stor integrerad krets. Dess övergripande dimensioner kan variera i centimeter, och i vissa specifika enheter till och med meter. Mikrometrar och nanometrar är bara storleken på enskilda element (som transistorer), och deras antal kan vara i miljarder!
Trots en sådan siffra kan det vara så att en ultrastorskalig integrerad krets väger flera hundra gram. Fast det är möjligt att den blir så tung att inte ens en vuxen person kan lyfta den på egen hand.
Hur skapas de?
Låt oss överväga modern teknik. Så för att skapa ultrarena halvledarenkristallmaterial, såväl som tekniska reagens (inklusive vätskor och gaser), behöver du:
- Säkerställ ultrarena arbetsförhållanden i området för bearbetning och transport av skivor.
- Utveckla teknisk verksamhet och skapa en uppsättning utrustning, där det kommer att finnas automatiserad processkontroll. Detta är nödvändigt för att säkerställa den specificerade kvaliteten på bearbetningen och låga nivåer av kontaminering. Även om vi inte bör glömma den höga prestanda och tillförlitlighet hos de skapade elektroniska komponenterna.
Är det ett skämt när element skapas, vars storlek beräknas i nanometer? Tyvärr är det omöjligt för en person att utföra operationer som kräver fenomenal noggrannhet.
Vad sägs om inhemska producenter?
VarförÄr den ultrastora integrerade kretsen starkt förknippad med utländsk utveckling? I början av 50-talet av förra seklet tog Sovjetunionen andra plats i utvecklingen av elektronik. Men nu är det extremt svårt för inhemska producenter att konkurrera med utländska företag. Det är dock inte så illa.
Således, angående skapandet av komplexa vetenskapsintensiva produkter, kan vi med tillförsikt säga att Ryska federationen nu har förutsättningarna, personalen och den vetenskapliga potentialen. Det finns en hel del företag och institutioner som kan utveckla olika elektroniska enheter. Det är sant att allt detta finns i en ganska begränsad volym.
Så, det är ofta så när högteknologiska "råvaror" används för utveckling, såsom VLSI-minne, mikroprocessorer och kontroller som tillverkats utomlands. Men samtidigt löses vissa problem med signalbehandling och beräkningar programmatiskt.
Även om det inte ska antas att vi exklusivt kan köpa och montera utrustning från olika komponenter. Det finns också inhemska versioner av processorer, kontroller, ultrastorskaliga integrerade kretsar och annan utveckling. Men tyvärr kan de inte konkurrera med världens ledare när det gäller deras effektivitet, vilket försvårar deras kommersiella implementering. Men att använda dem i inhemska system där du inte behöver mycket ström eller måste ta hand om tillförlitligheten är fullt möjligt.
PLCs för programmerbar logik
Detta är en separat tilldelad lovande typ av utveckling. De står utanför konkurrensen inom de områden där du behöver skapahögpresterande specialiserade enheter fokuserade på hårdvaruimplementering. Tack vare detta är uppgiften att parallellisera bearbetningsprocessen löst och prestandan tiodubblas (jämfört med mjukvarulösningar).
I huvudsak har dessa ultrastorskaliga integrerade kretsar mångsidiga, konfigurerbara funktionsomvandlare som tillåter användare att anpassa anslutningarna mellan dem. Och allt är på en kristall. Resultatet är en kortare byggcykel, en ekonomisk fördel för småskalig produktion och möjligheten att göra ändringar i alla skeden av designen.
Utveckling av ultrastora integrerade kretsar med programmerbar logik tar flera månader. Därefter konfigureras de på kortast möjliga tid - och allt detta till en lägsta kostnadsnivå. Det finns olika tillverkare, arkitekturer och möjligheter för produkterna de skapar, vilket avsevärt ökar förmågan att slutföra uppgifter.
Hur klassificeras de?
Används vanligtvis för detta:
- Logisk kapacitet (grad av integration).
- Organisation av den interna strukturen.
- Typ av programmerbart objekt som används.
- Funktionskonverteringsarkitektur.
- Närvaro/frånvaro av internt RAM.
Varje föremål förtjänar uppmärksamhet. Men tyvärr är artikelns storlek begränsad, så vi kommer bara att överväga den viktigaste komponenten.
Vad ärlogisk kapacitet?
Detta är den viktigaste funktionen för mycket storskaliga integrerade kretsar. Antalet transistorer i dem kan vara i miljarder. Men samtidigt är deras storlek lika med en eländig bråkdel av en mikrometer. Men på grund av strukturernas redundans mäts logisk kapacitet i antalet grindar som behövs för att implementera enheten.
För att utse dem används indikatorer på hundratusentals och miljoner enheter. Ju högre logisk kapacitet är, desto fler möjligheter kan en ultrastorskalig integrerad krets erbjuda oss.
Om de eftersträvade målen
VLSI skapades ursprungligen för femte generationens maskiner. I sin tillverkning vägleddes de av en strömmande arkitektur och implementeringen av ett intelligent människa-maskin-gränssnitt, som inte bara kommer att ge en systematisk lösning på problem, utan också ge Masha möjlighet att tänka logiskt, självlära sig och rita logiskt slutsatser.
Det antogs att kommunikationen skulle ske på naturligt språk med hjälp av en talform. Jo, på ett eller annat sätt genomfördes det. Men ändå är det fortfarande långt ifrån det fullvärdiga problemfria skapandet av idealiska ultrastora integrerade kretsar. Men vi, mänskligheten, går framåt med tillförsikt. VLSI designautomation spelar en stor roll i detta.
Som tidigare nämnts kräver detta mycket personal och tid. Därför, för att spara pengar, används automatisering i stor utsträckning. När allt kommer omkring när det är nödvändigt att upprätta kopplingar mellan miljarderkomponenter, till och med ett team på flera dussin personer kommer att lägga år på det. Medan automatisering kan göra detta på några timmar, om rätt algoritm läggs.
Ytterligare minskning verkar problematisk nu, eftersom vi redan närmar oss gränsen för transistorteknologi. Redan nu är de minsta transistorerna bara några tiotals nanometer stora. Om vi minskar dem med flera hundra gånger kommer vi helt enkelt att stöta på atomens dimensioner. Utan tvekan är detta bra, men hur ska man gå vidare när det gäller att öka elektronikens effektivitet? För att göra detta måste du gå till en ny nivå. Till exempel för att skapa kvantdatorer.
Slutsats
Ultrastorskaliga integrerade kretsar har haft en betydande inverkan på mänsklighetens utveckling och de möjligheter vi har. Men det är troligt att de snart kommer att bli föråldrade och något helt annat kommer att ersätta dem.
Trots allt, tyvärr, närmar vi oss redan gränsen för möjligheterna, och mänskligheten är inte van vid att stå still. Därför är det troligt att ultrastora integrerade kretsar kommer att tilldelas vederbörlig utmärkelse, varefter de kommer att ersättas av mer avancerade konstruktioner. Men för tillfället använder vi alla VLSI som höjdpunkten av befintligt skapande.
