Tietokonetekniikka kehittyy erittäin nopeasti. On olemassa uusia asetteluja ja kehityskohteita, joiden on täytettävä jatkuvasti kasvavia vaatimuksia. Yksi mielenkiintoisimmista asioista on erittäin suuri integroitu piiri. Mikä se on? Miksi hänellä on tällainen nimi? Tiedämme, miten VLSI tarkoittaa, mutta miltä se näyttää käytännössä? Missä niitä käytetään?
Kehityshistoria
1960-luvun alussa ilmestyivät ensimmäiset puolijohdemikropiirit. Siitä lähtien mikroelektroniikka on kulkenut pitkän tien yksinkertaisista loogisista elementeistä monimutkaisimpiin digitaalisiin laitteisiin. Nykyaikaiset monimutkaiset ja monitoimiset tietokoneet voivat toimia yhdellä puolijohteella, jonka pinta-ala on yksi neliösenttimetri.
Olisi pitänyt saada ne jotenkinluokitella ja erottaa. Erittäin suuri integroitu piiri (VLSI) on saanut nimensä, koska oli tarpeen nimetä mikropiiri, jonka integrointiaste ylitti 104 elementtiä sirua kohden. Se tapahtui 70-luvun lopulla. Muutamassa vuodessa kävi selväksi, että tämä oli mikroelektroniikan yleinen suunta.
Joten, erittäin suuri integroitu piiri on saanut nimensä, koska oli tarpeen luokitella kaikki tämän alan saavutukset. Aluksi mikroelektroniikka rakentui kokoonpanotoiminnalle ja harjoitti monimutkaisten toimintojen toteuttamista yhdistämällä monia elementtejä yhdeksi asiaksi.
Ja mitä sitten?
Aluksi merkittävä osa valmistettujen tuotteiden kustannusten noususta johtui juuri kokoonpanoprosessista. Päävaiheet, jotka jokaisen tuotteen piti käydä läpi, ovat komponenttien välisten kytkentöjen suunnittelu, toteutus ja todentaminen. Toimintoja sekä käytännössä toteutettujen laitteiden mittoja rajoittavat vain käytettyjen komponenttien määrä, luotettavuus ja fyysiset mitat.
Joten, jos he sanovat, että jokin erittäin suuri integroitu piiri painaa yli 10 kg, se on täysin mahdollista. Ainoa kysymys on näin suuren komponenttilohkon käytön rationaalisuus.
Kehitys
Haluan tehdä vielä yhden pienen poikkeaman. Historiallisesti integroidut piirit ovat houkutelleet niiden pieni koko ja paino. Vaikka vähitellen, kehityksen myötä, oli mahdollisuuksia yhä lähemmäksielementtien sijoittaminen. Eikä vain. Tämä ei tulisi ymmärtää ainoastaan kompaktina sijoituksena, vaan myös ergonomisten osoittimien parantumisena, suorituskyvyn kasvuna ja käyttövarmuuden tasona.
Erityistä huomiota tulee kiinnittää materiaali- ja energiaindikaattoreihin, jotka riippuvat suoraan komponenttikohtaisesti käytetyn kiteen pinta-alasta. Tämä riippui pitkälti käytetystä aineesta. Alun perin germaniumia käytettiin puolijohdetuotteissa. Mutta ajan myötä se korvattiin piillä, jolla on houkuttelevampia ominaisuuksia.
Mitä käytetään nyt?
Joten tiedämme, että erittäin suuri integroitu piiri on saanut nimensä, koska se sisältää monia komponentteja. Mitä tekniikoita niiden luomiseen tällä hetkellä käytetään? Useimmiten puhutaan syvästä submikronisesta alueesta, jonka avulla voidaan saavuttaa tehokas komponenttien käyttö 0,25-0,5 mikronissa, ja nanoelektroniikasta, jossa elementit mitataan nanometreinä. Lisäksi ensimmäisestä tulee vähitellen historiaa, ja toisessa tehdään yhä enemmän löytöjä. Tässä on lyhyt luettelo kehitteillä olevista kehityshankkeista:
- Erittäin suuret piipiirit. Niiden komponenttien vähimmäiskoot ovat syvällä submikronin alueella.
- Nopeat heteroliitoslaitteet ja integroidut piirit. Ne on rakennettu piin, germaniumin, galliumarsenidin sekä useiden muiden yhdisteiden pohj alta.
- Nanomittakaavaisten laitteiden tekniikka, josta nanolitografia on mainittava erikseen.
Vaikka pienet koot on ilmoitettu tässä, mutta ei tarvitse erehtyä kumpi onäärimmäisen suuri integroitu piiri. Sen kokonaismitat voivat vaihdella senttimetreissä ja joissakin tietyissä laitteissa jopa metrejä. Mikrometrit ja nanometrit ovat vain yksittäisten elementtien (kuten transistorien) kokoisia, ja niiden lukumäärä voi olla miljardeja!
Tällaisesta määrästä huolimatta voi olla, että erittäin suurikokoinen integroitu piiri painaa useita satoja grammoja. Vaikka on mahdollista, että se on niin raskas, ettei edes aikuinen voi nostaa sitä omin voimin.
Miten ne luodaan?
Otetaan huomioon moderni tekniikka. Ultrapuhtaiden yksikiteisten puolijohdemateriaalien sekä teknisten reagenssien (mukaan lukien nesteet ja kaasut) luomiseen tarvitset:
- Varmista ultrapuhtaat työolosuhteet kiekkojen käsittely- ja kuljetusalueella.
- Kehitä teknologista toimintaa ja luo laitekokonaisuus, jossa on automatisoitu prosessiohjaus. Tämä on tarpeen määritellyn käsittelyn laadun ja alhaisen saastumisen varmistamiseksi. Emme kuitenkaan saa unohtaa luotujen elektronisten komponenttien korkeaa suorituskykyä ja luotettavuutta.
Onko se vitsi, kun luodaan elementtejä, joiden koko lasketaan nanometreinä? Valitettavasti ihmisen on mahdotonta suorittaa ilmiömäistä tarkkuutta vaativia toimintoja.
Entä kotimaiset tuottajat?
MiksiLiittyykö ultrasuuri integroitu piiri vahvasti ulkomaiseen kehitykseen? Viime vuosisadan 50-luvun alussa Neuvostoliitto sijoittui toiseksi elektroniikan kehityksessä. Mutta nyt kotimaisten tuottajien on erittäin vaikea kilpailla ulkomaisten yritysten kanssa. Kaikki ei kuitenkaan ole huonoa.
Mittaen monimutkaisten tiedeintensiivisten tuotteiden luomiseen, voimme vakuuttavasti sanoa, että Venäjän federaatiolla on nyt edellytykset, henkilöstö ja tieteellinen potentiaali. On olemassa useita yrityksiä ja laitoksia, jotka voivat kehittää erilaisia elektronisia laitteita. Totta, kaikki tämä on olemassa melko rajoitetusti.
Joten, näin on usein tapaus, kun kehitykseen käytetään korkean teknologian "raaka-aineita", kuten ulkomailla valmistettuja VLSI-muistia, mikroprosessoreita ja ohjaimia. Mutta samalla tietyt signaalinkäsittelyn ja laskennan ongelmat ratkaistaan ohjelmallisesti.
Vaikka ei pidä olettaa, että voimme ostaa ja koota laitteita yksinomaan eri komponenteista. On myös kotimaisia versioita prosessoreista, ohjaimista, erittäin suurista integroiduista piireistä ja muusta kehityksestä. Mutta valitettavasti ne eivät voi kilpailla tehokkuudellaan maailman johtajien kanssa, mikä vaikeuttaa niiden kaupallista toteuttamista. Mutta niiden käyttäminen kotimaisissa järjestelmissä, joissa et tarvitse paljon tehoa tai sinun on huolehdittava luotettavuudesta, on täysin mahdollista.
PLC:t ohjelmoitavaa logiikkaa varten
Tämä on erikseen osoitettu lupaava kehitystyyppi. He eivät kilpaile niillä alueilla, joilla sinun on luotavakorkean suorituskyvyn erikoislaitteet, jotka keskittyvät laitteiston toteuttamiseen. Tämän ansiosta prosessointiprosessin rinnakkaistehtävä ratkeaa ja suorituskyky kymmenkertaistuu (verrattuna ohjelmistoratkaisuihin).
Pohjimmiltaan näissä erittäin suurissa integroiduissa piireissä on monipuoliset, konfiguroitavat toimintomuuntimet, joiden avulla käyttäjät voivat mukauttaa niiden välisiä yhteyksiä. Ja kaikki on yhdellä kristallilla. Tuloksena on lyhyempi rakennussykli, taloudellinen hyöty pienimuotoisessa tuotannossa ja mahdollisuus tehdä muutoksia missä tahansa suunnitteluvaiheessa.
Ohjelmoitavan logiikan erittäin suurten integroitujen piirien kehittäminen kestää useita kuukausia. Sen jälkeen ne määritetään mahdollisimman lyhyessä ajassa - ja tämä kaikki on vähimmäiskustannuksilla. Heidän luomillaan tuotteilla on erilaisia valmistajia, arkkitehtuureja ja ominaisuuksia, mikä lisää huomattavasti kykyä suorittaa tehtäviä.
Miten ne luokitellaan?
Käytetään yleensä tähän:
- Looginen kapasiteetti (integraatioaste).
- Sisäisen rakenteen järjestäminen.
- Käytetyn ohjelmoitavan kohteen tyyppi.
- Toimintomuuntimen arkkitehtuuri.
- Sisäisen RAM-muistin läsnäolo/puuttuminen.
Jokainen kohde ansaitsee huomion. Mutta valitettavasti artikkelin koko on rajoitettu, joten tarkastelemme vain tärkeintä osaa.
Mikä onlooginen kapasiteetti?
Tämä on tärkein ominaisuus erittäin suuren mittakaavan integroiduissa piireissä. Transistorien määrä niissä voi olla miljardeja. Mutta samaan aikaan niiden koko vastaa surkeaa mikrometrin murto-osaa. Mutta rakenteiden redundanssista johtuen looginen kapasiteetti mitataan porttien lukumäärällä, joka tarvitaan laitteen toteuttamiseen.
Niiden nimeämiseen käytetään satojen tuhansien ja miljoonien yksiköiden indikaattoreita. Mitä suurempi loogisen kapasiteetin arvo on, sitä enemmän mahdollisuuksia erittäin suurikokoinen integroitu piiri voi tarjota meille.
Tietoja tavoitelluista tavoitteista
VLSI luotiin alun perin viidennen sukupolven koneille. Valmistuksessaan heitä ohjasi suoratoistoarkkitehtuuri ja älykkään ihmisen ja koneen välisen rajapinnan toteutus, joka ei ainoastaan tarjoa järjestelmällistä ratkaisua ongelmiin, vaan antaa Mashalle myös mahdollisuuden ajatella loogisesti, oppia itse ja piirtää loogisesti. johtopäätökset.
Olisi oletettu, että viestintä tapahtuisi luonnollisella kielellä puhemuodon avulla. No, tavalla tai toisella se toteutettiin. Mutta silti, se on vielä kaukana ihanteellisten ultrasuurien integroitujen piirien täysimittaisesta ongelmattomasta luomisesta. Mutta me, ihmiskunta, kuljemme eteenpäin luottavaisin mielin. VLSI-suunnitteluautomaatiolla on tässä suuri rooli.
Kuten aiemmin mainittiin, tämä vaatii paljon henkilö- ja aikaresursseja. Siksi automaatiota käytetään laajasti rahan säästämiseksi. Loppujen lopuksi, kun on tarpeen luoda yhteyksiä miljardien välillekomponentteja, jopa useiden kymmenien ihmisten tiimi viettää siihen vuosia. Automaatio voi tehdä tämän muutamassa tunnissa, jos oikea algoritmi on asetettu.
Lisävähennys näyttää nyt ongelmalliselta, kun olemme jo lähestymässä transistoritekniikan rajaa. Jo nyt pienimmät transistorit ovat kooltaan vain muutamia kymmeniä nanometrejä. Jos pienennämme niitä useita satoja kertoja, törmäämme yksinkertaisesti atomin mittoihin. Epäilemättä tämä on hyvä, mutta miten edetä elektroniikan tehokkuuden lisäämisessä? Tätä varten sinun on mentävä uudelle tasolle. Esimerkiksi kvanttitietokoneiden luomiseen.
Johtopäätös
Erittäin suuret integroidut piirit ovat vaikuttaneet merkittävästi ihmiskunnan kehitykseen ja mahdollisuuksiinmme. Mutta on todennäköistä, että ne vanhenevat pian ja niiden tilalle tulee jotain aivan muuta.
Loppujen lopuksi, valitettavasti, olemme jo lähestymässä mahdollisuuksien rajaa, eikä ihmiskunta ole tottunut seisomaan paikallaan. Siksi on todennäköistä, että erittäin suuret integroidut piirit saavat asianmukaiset kunnianosoitukset, minkä jälkeen ne korvataan edistyneemmillä malleilla. Mutta toistaiseksi me kaikki käytämme VLSI:tä olemassa olevan luomisen huippuna.
