Arvutitehnoloogia areneb ülikiiresti. Seal on uued paigutused ja arendused, mis peavad vastama üha kasvavatele nõuetele. Üks huvitavamaid asju on väga suur integraallülitus. Mis see on? Miks tal selline nimi on? Me teame, kuidas VLSI tähendab, kuid kuidas see praktikas välja näeb? Kus neid kasutatakse?
Arenguajalugu
Kuuekümnendate alguses ilmusid esimesed pooljuhtide mikroskeemid. Sellest ajast alates on mikroelektroonika jõudnud kaugele lihtsatest loogilistest elementidest kuni kõige keerukamate digitaalseadmeteni. Kaasaegsed keerukad ja multifunktsionaalsed arvutid võivad töötada ühel pooljuhtkristallil, mille pindala on üks ruutsentimeetrit.
Peaks need kuidagi olemaklassifitseerida ja eristada. Väga suur integraallülitus (VLSI) on saanud sellise nime, kuna oli vaja määrata mikroskeem, mille integratsiooniaste ületas 104 elementi kiibi kohta. See juhtus seitsmekümnendate lõpus. Mõne aasta jooksul sai selgeks, et see on mikroelektroonika üldine suund.
Nii, väga suur integraallülitus on saanud sellise nime, kuna oli vaja klassifitseerida kõik selle valdkonna saavutused. Algselt rajati mikroelektroonika koosteoperatsioonidele ja tegeles keeruliste funktsioonide rakendamisega, ühendades palju elemente ühes asjas.
Ja mis siis?
Esialgu oli oluline osa valmistatud toodete kallinemisest just montaaži protsessis. Peamised etapid, mille iga toode pidi läbima, on projekteerimine, juurutamine ja komponentidevaheliste ühenduste kontrollimine. Funktsioonid, aga ka praktikas juurutatud seadmete mõõtmed on piiratud ainult kasutatavate komponentide arvu, töökindluse ja füüsiliste mõõtmetega.
Nii et kui öeldakse, et mõni väga suur integraallülitus kaalub üle 10 kg, on see täiesti võimalik. Ainus küsimus on sellise suure komponentide ploki kasutamise otstarbekuses.
Arendus
Teeks veel ühe väikese kõrvalepõike. Ajalooliselt on integraallülitusi köitnud nende väiksus ja kaal. Kuigi tasapisi, arenguga, avanes võimalusi üha lähemaleelementide paigutus. Ja mitte ainult. Seda ei tuleks mõista mitte ainult kompaktse paigutusena, vaid ka ergonoomiliste näitajate paranemisena, jõudluse ja töökindluse tasemena.
Erilist tähelepanu tuleks pöörata materjali- ja energianäitajatele, mis sõltuvad otseselt komponendi kohta kasutatava kristalli pindalast. See sõltus suuresti kasutatud ainest. Algselt kasutati germaaniumi pooljuhttoodete valmistamiseks. Kuid aja jooksul tõrjus selle välja räni, millel on atraktiivsemad omadused.
Mida praegu kasutatakse?
Nii me teame, et väga suurt integraallülitust nimetatakse selliseks, kuna see sisaldab palju komponente. Milliseid tehnoloogiaid nende loomiseks praegu kasutatakse? Kõige sagedamini räägitakse sügavast submikronilisest piirkonnast, mis võimaldab saavutada komponentide efektiivset kasutamist 0,25-0,5 mikronites, ja nanoelektroonikast, kus elemente mõõdetakse nanomeetrites. Pealegi muutub esimene järk-järgult ajalooks ja teises tehakse üha rohkem avastusi. Siin on lühike nimekiri loodavatest arendustest:
- Ülisuured räniahelad. Nende komponentide minimaalsed suurused asuvad sügavamal submikronilises piirkonnas.
- Kiired heterosiirdeseadmed ja integraallülitused. Need on ehitatud räni, germaaniumi, galliumarseniidi ja ka mitmete teiste ühendite baasil.
- Nanomõõtmeliste seadmete tehnoloogia, millest eraldi tuleks mainida nanolitograafiat.
Kuigi siin on märgitud väikesed suurused, pole vaja eksida, milline neist onülim ülisuur integraallülitus. Selle üldmõõtmed võivad erineda sentimeetrites ja mõnes konkreetses seadmes isegi meetrites. Mikromeetrid ja nanomeetrid on vaid üksikute elementide (nt transistoride) suurused ja nende arv võib ulatuda miljarditesse!
Hoolimata sellisest numbrist võib juhtuda, et ülisuure mastaabiga integraallülitus kaalub mitusada grammi. Kuigi on võimalik, et see on nii raske, et isegi täiskasvanu ei suuda seda ise tõsta.
Kuidas need luuakse?
Mõelgem nüüdisaegsele tehnoloogiale. Nii et ülipuhaste ühekristalliliste pooljuhtmaterjalide ja tehnoloogiliste reaktiivide (sh vedelikud ja gaasid) loomiseks vajate:
- Tagage vahvlite töötlemise ja transpordi piirkonnas ülipuhtad töötingimused.
- Arendage tehnoloogilisi toiminguid ja looge seadmete komplekt, kus toimub automatiseeritud protsesside juhtimine. See on vajalik töötlemise kindlaksmääratud kvaliteedi ja madala saastatuse tagamiseks. Kuigi me ei tohiks unustada loodud elektrooniliste komponentide suurt jõudlust ja töökindlust.
Kas see on nali, kui luuakse elemente, mille suurust arvutatakse nanomeetrites? Paraku on inimesel võimatu teha toiminguid, mis nõuavad fenomenaalset täpsust.
Aga kodumaiste tootjatega?
MiksKas ülisuur integraallülitus on tugev alt seotud välismaiste arengutega? Eelmise sajandi 50ndate alguses saavutas NSV Liit elektroonika arengus teise koha. Nüüd on aga kodumaistel tootjatel välismaiste ettevõtetega ülim alt raske konkureerida. Siiski pole kõik halb.
Seega seoses keerukate teadusmahukate toodete loomisega võime kindl alt väita, et Venemaa Föderatsioonil on nüüd olemas tingimused, personal ja teaduslik potentsiaal. On üsna palju ettevõtteid ja asutusi, kes saavad arendada erinevaid elektroonikaseadmeid. Tõsi, seda kõike on üsna piiratud mahus.
Seega juhtub sageli, kui arendamiseks kasutatakse kõrgtehnoloogilisi "toormaterjale", nagu VLSI-mälu, mikroprotsessoreid ja kontrollereid, mis on toodetud välismaal. Kuid samal ajal lahendatakse teatud signaalitöötluse ja arvutuste probleemid programmiliselt.
Kuigi ei tohiks eeldada, et saame osta ja kokku panna seadmeid ainult erinevatest komponentidest. Samuti on kodumaised versioonid protsessoritest, kontrolleritest, ülisuurest integraallülitusest ja muudest arendustest. Kuid paraku ei suuda nad oma tõhususe poolest konkureerida maailma liidritega, mis muudab nende kaubandusliku rakendamise keeruliseks. Kuid nende kasutamine kodusüsteemides, kus te ei vaja palju võimsust või peate hoolitsema töökindluse eest, on täiesti võimalik.
PLC-d programmeeritava loogika jaoks
See on eraldi eraldatud paljulubav arendustüüp. Nendes valdkondades, kus peate looma, on nad konkurentsist väljassuure jõudlusega spetsiaalsed seadmed, mis on keskendunud riistvara rakendamisele. Tänu sellele lahendatakse töötlemisprotsessi paralleelsuse ülesanne ja jõudlus suureneb kümnekordselt (võrreldes tarkvaralahendustega).
Põhimõtteliselt on neil ülisuurtel integraallülitustel mitmekülgsed konfigureeritavad funktsioonimuundurid, mis võimaldavad kasutajatel nendevahelisi ühendusi kohandada. Ja see kõik on ühel kristallil. Tulemuseks on lühem ehitustsükkel, majanduslik kasu väikesemahulisele tootmisele ja võimalus teha muudatusi projekteerimise mis tahes etapis.
Programmeeritava loogika ülisuurte integraallülituste väljatöötamine võtab aega mitu kuud. Pärast seda konfigureeritakse need võimalikult lühikese aja jooksul - ja see kõik on minimaalsete kuludega. Nende loodud toodetel on erinevad tootjad, arhitektuurid ja võimalused, mis suurendab oluliselt ülesannete täitmise võimet.
Kuidas neid klassifitseeritakse?
Tavaliselt kasutatakse selleks:
- Loogiline võimsus (integratsiooniaste).
- Sisestruktuuri korraldus.
- Kasutatud programmeeritava üksuse tüüp.
- Funktsioonimuunduri arhitektuur.
- Sisemise RAM-i olemasolu/puudumine.
Iga üksus väärib tähelepanu. Kahjuks on artikli suurus piiratud, seega käsitleme ainult kõige olulisemat komponenti.
Mis onloogiline võimsus?
See on kõige olulisem funktsioon väga suuremahuliste integraallülituste puhul. Transistoride arv neis võib ulatuda miljarditesse. Kuid samal ajal on nende suurus võrdne armetu mikromeetri murdosaga. Kuid struktuuride liiasuse tõttu mõõdetakse loogilist võimsust seadme rakendamiseks vajalike väravate arvus.
Nende tähistamiseks kasutatakse sadade tuhandete ja miljonite ühikute näitajaid. Mida suurem on loogilise võimsuse väärtus, seda rohkem võimalusi suudab ülisuure mastaabiga integraallülitus meile pakkuda.
Teave saavutatud eesmärkide kohta
VLSI loodi algselt viienda põlvkonna masinate jaoks. Nende valmistamisel lähtusid nad voogedastusarhitektuurist ja intelligentse inimese-masina liidese rakendamisest, mis mitte ainult ei paku süstemaatilist lahendust probleemidele, vaid annab Mašale ka võimaluse loogiliselt mõelda, ise õppida ja loogiliselt joonistada. järeldused.
Eeldati, et suhtlemine toimub loomulikus keeles, kasutades kõnevormi. No ühel või teisel moel sai see ellu viidud. Kuid ikkagi on see veel kaugel ideaalsete ülisuurte integraallülituste täielikust probleemivabast loomisest. Kuid meie, inimkond, liigume enesekindl alt edasi. VLSI disaini automatiseerimine mängib selles suurt rolli.
Nagu eelnev alt mainitud, nõuab see palju inim- ja ajaressurssi. Seetõttu kasutatakse raha säästmiseks automatiseerimist laialdaselt. Lõppude lõpuks, kui on vaja luua seoseid miljardite vahelkomponendid, kulutab isegi mitmekümneliikmeline meeskond sellele aastaid. Automaatika saab seda teha mõne tunniga, kui on paika pandud õige algoritm.
Edasine vähendamine tundub praegu problemaatiline, kuna oleme juba lähenemas transistortehnoloogia piirile. Juba praegu on väikseimad transistorid vaid mõnekümne nanomeetri suurused. Kui me vähendame neid mitusada korda, siis satume lihts alt aatomi mõõtmetesse. Kahtlemata on see hea, aga kuidas edasi minna elektroonika efektiivsuse tõstmise osas? Selleks tuleb minna uuele tasemele. Näiteks kvantarvutite loomiseks.
Järeldus
Ülimahukad integraallülitused on inimkonna arengut ja meie võimalusi oluliselt mõjutanud. Kuid on tõenäoline, et need vananevad peagi ja nende asemele tuleb midagi täiesti erinevat.
Lõppude lõpuks, paraku, me läheneme juba võimaluste piirile ja inimkond pole harjunud paigal seisma. Seetõttu on tõenäoline, et ülisuurtele integraallülitustele antakse vääriline au, misjärel need asendatakse arenenumate disainidega. Kuid praegu kasutame me kõik VLSI-d olemasoleva loomingu tipuna.
