Компютърната технология се развива изключително бързо. Има нови оформления и разработки, които трябва да отговарят на постоянно нарастващите изисквания. Едно от най-интересните неща е много голямата интегрална схема. Какво е? Защо тя има такова име? Знаем как означава VLSI, но как изглежда на практика? Къде се използват?
История на развитие
В началото на шейсетте години се появяват първите полупроводникови микросхеми. Оттогава микроелектрониката измина дълъг път от прости логически елементи до най-сложните цифрови устройства. Съвременните сложни и многофункционални компютри могат да работят на един полупроводников монокристал, чиято площ е един квадратен сантиметър.
Трябваше да ги имам някак сикласифицира и разграничава. Много голяма интегрална схема (VLSI) е наречена така, защото имаше нужда да се обозначи микросхема, в която степента на интеграция надвишава 104 елемента на чип. Това се случи в края на седемдесетте. В рамките на няколко години стана ясно, че това е основната посока за микроелектрониката.
И така, много голямата интегрална схема е наречена така, защото беше необходимо да се класифицират всички постижения в тази област. Първоначално микроелектрониката е изградена върху операции по сглобяване и е ангажирана с изпълнението на сложни функции чрез комбиниране на много елементи в едно нещо.
И тогава какво?
Първоначално значителна част от увеличението на цената на произвежданите продукти беше именно в процеса на сглобяване. Основните етапи, през които трябваше да премине всеки продукт, са проектиране, внедряване и проверка на връзките между компонентите. Функциите, както и размерите на устройствата, които са внедрени на практика, са ограничени единствено от броя на използваните компоненти, тяхната надеждност и физически размери.
Така че ако кажат, че някаква много голяма интегрална схема тежи повече от 10 кг, това е напълно възможно. Единственият въпрос е рационалността на използването на такъв голям блок от компоненти.
Разработка
Бих искал да направя още едно малко отклонение. В исторически план интегралните схеми са били привлечени от малкия си размер и тегло. Въпреки че постепенно, с развитието, имаше възможности за все по-близопоставяне на елементи. И не само. Това трябва да се разбира не само като компактно разположение, но и като подобрение на ергономичните показатели, повишаване на производителността и ниво на оперативна надеждност.
Трябва да се обърне специално внимание на материалните и енергийните показатели, които пряко зависят от площта на кристала, използван за компонент. Това до голяма степен зависи от използваното вещество. Първоначално германият се използва за полупроводникови продукти. Но с течение на времето той беше изместен от силиций, който има по-привлекателни характеристики.
Какво се използва сега?
Значи знаем, че много голямата интегрална схема е наречена така, защото съдържа много компоненти. Какви технологии се използват в момента за тяхното създаване? Най-често се говори за дълбоката субмикронна област, която позволява да се постигне ефективно използване на компоненти в 0,25-0,5 микрона, и наноелектрониката, където елементите се измерват в нанометри. При това първият постепенно се превръща в история, а във втория се правят все повече и повече открития. Ето кратък списък с разработки, които се създават:
- Ултра-големи силициеви вериги. Те имат минимални размери на компонентите в дълбоката субмикронна област.
- Високоскоростни хетеропреходни устройства и интегрални схеми. Те са изградени на базата на силиций, германий, галиев арсенид, както и редица други съединения.
- Технология на наномащабни устройства, от които нанолитографията трябва да бъде спомената отделно.
Въпреки че малките размери са посочени тук, но няма нужда да се бъркате кой еултра голяма интегрална схема. Общите му размери могат да варират в сантиметри, а при някои специфични устройства дори метри. Микрометрите и нанометрите са само с размерите на отделни елементи (като транзистори) и техният брой може да бъде в милиарди!
Въпреки това число, може да се окаже, че една свръхмащабна интегрална схема тежи няколкостотин грама. Въпреки че е възможно да е толкова тежък, че дори възрастен да не може да го вдигне сам.
Как се създават?
Нека разгледаме съвременните технологии. Така че, за да създадете свръхчисти полупроводникови монокристални материали, както и технологични реагенти (включително течности и газове), ви трябва:
- Осигурете изключително чисти работни условия в зоната за обработка и транспортиране на вафли.
- Разработване на технологични операции и създаване на комплект оборудване, където ще има автоматизиран контрол на процеса. Това е необходимо, за да се гарантира определеното качество на обработка и ниски нива на замърсяване. Въпреки че не бива да забравяме за високата производителност и надеждност на създадените електронни компоненти.
Шега ли е, когато се създават елементи, чийто размер се изчислява в нанометри? Уви, невъзможно е човек да извършва операции, които изискват феноменална точност.
А местните производители?
ЗащоСилно ли е свързана свръхголямата интегрална схема с чуждестранни разработки? В началото на 50-те години на миналия век СССР заема второ място в развитието на електрониката. Но сега е изключително трудно за местните производители да се конкурират с чуждестранни компании. Не всичко е лошо обаче.
По този начин, по отношение на създаването на сложни наукоемки продукти, можем с увереност да кажем, че Руската федерация сега има условия, персонал и научен потенциал. Има доста предприятия и институции, които могат да разработват различни електронни устройства. Вярно е, че всичко това съществува в доста ограничен обем.
Така че често се случва, когато за разработка се използват високотехнологични "суровини", като VLSI памет, микропроцесори и контролери, които са произведени в чужбина. Но в същото време някои проблеми на обработката на сигнала и изчисленията се решават програмно.
Въпреки че не трябва да се предполага, че можем изключително да купуваме и сглобяваме оборудване от различни компоненти. Има и местни версии на процесори, контролери, свръхмащабни интегрални схеми и други разработки. Но, уви, те не могат да се конкурират със световните лидери по своята ефективност, което затруднява тяхното търговско прилагане. Но използването им в домашни системи, където не се нуждаете от много енергия или трябва да се грижите за надеждността, е напълно възможно.
PLC за програмируема логика
Това е отделно разпределен обещаващ тип разработка. Те са извън конкуренцията в областите, в които трябва да създаватевисокопроизводителни специализирани устройства, фокусирани върху хардуерно внедряване. Благодарение на това задачата за паралелизиране на процеса на обработка е решена и производителността се увеличава десетократно (в сравнение със софтуерните решения).
По същество тези свръхмащабни интегрални схеми имат гъвкави, конфигурируеми функционални преобразуватели, които позволяват на потребителите да персонализират връзките между тях. И всичко е на един кристал. Резултатът е по-кратък цикъл на изграждане, икономическа изгода за дребномащабно производство и възможност за извършване на промени на всеки етап от проектирането.
Разработването на програмируеми логически свръхголеми интегрални схеми отнема няколко месеца. След това те се конфигурират във възможно най-кратък срок - и всичко това при минимално ниво на разходи. Има различни производители, архитектури и възможности на продуктите, които създават, което значително увеличава способността за изпълнение на задачи.
Как са класифицирани?
Обикновено се използва за това:
- Логически капацитет (степен на интеграция).
- Организация на вътрешната структура.
- Вид използван програмируем елемент.
- Архитектура на преобразувателя на функции.
- Наличие/отсъствие на вътрешна RAM.
Всеки артикул заслужава внимание. Но уви, размерът на статията е ограничен, така че ще разгледаме само най-важния компонент.
Какво елогически капацитет?
Това е най-важната характеристика за много мащабни интегрални схеми. Броят на транзисторите в тях може да бъде в милиарди. Но в същото време техният размер е равен на мизерна част от микрометъра. Но поради излишъка на структурите, логическият капацитет се измерва в броя на портите, които са необходими за прилагане на устройството.
За обозначаването им се използват индикатори от стотици хиляди и милиони единици. Колкото по-висока е стойността на логическия капацитет, толкова повече възможности може да ни предложи една свръхмащабна интегрална схема.
За преследваните цели
VLSI първоначално е създаден за машини от пето поколение. При производството си те се ръководят от стрийминг архитектура и внедряването на интелигентен интерфейс човек-машина, който не само ще осигури системно решение на проблемите, но и ще предостави на Маша възможността да мисли логично, да се самообучава и да рисува логично заключения.
Предполагаше се, че комуникацията ще се осъществява на естествен език с помощта на речева форма. Е, по един или друг начин беше осъществено. Но все още е далеч от пълноценното безпроблемно създаване на идеални ултра големи интегрални схеми. Но ние, човечеството, вървим напред с увереност. Автоматизацията на проектиране на VLSI играе голяма роля в това.
Както споменахме по-горе, това изисква много човешки и времеви ресурси. Следователно, за да се спестят пари, автоматизацията се използва широко. В крайна сметка, когато е необходимо да се установят връзки между милиардикомпоненти, дори екип от няколко десетки души ще прекара години в него. Докато автоматизацията може да направи това за броени часове, ако е заложен правилният алгоритъм.
По-нататъшното намаляване изглежда проблематично сега, тъй като вече се приближаваме до границата на транзисторната технология. Вече и най-малките транзистори са с размер само няколко десетки нанометра. Ако ги намалим няколкостотин пъти, тогава просто ще се сблъскаме с размерите на атома. Несъмнено това е добре, но как да продължим напред по отношение на повишаване на ефективността на електрониката? За да направите това, трябва да отидете на ново ниво. Например за създаване на квантови компютри.
Заключение
Ултрамащабните интегрални схеми оказаха значително влияние върху развитието на човечеството и възможностите, които имаме. Но е вероятно те скоро да станат остарели и нещо съвсем различно да ги замени.
В крайна сметка, уви, ние вече се приближаваме до границата на възможностите, а човечеството не е свикнало да стои на едно място. Поради това е вероятно свръхголемите интегрални схеми да бъдат удостоени с дължимите почести, след което ще бъдат заменени от по-модерни дизайни. Но засега всички ние използваме VLSI като върха на съществуващото творение.
