Компьютерлік технология өте жылдам дамып келеді. Үнемі өсіп келе жатқан талаптарға сай болуы керек жаңа макеттер мен әзірлемелер бар. Ең қызықты нәрселердің бірі - өте үлкен интегралды схема. Бұл не? Неліктен оның мұндай есімі бар? Біз VLSI қалай тұрғанын білеміз, бірақ іс жүзінде ол қалай көрінеді? Олар қайда қолданылады?
Даму тарихы
Алпысыншы жылдардың басында алғашқы жартылай өткізгіш микросұлбалар пайда болды. Содан бері микроэлектроника қарапайым логикалық элементтерден ең күрделі цифрлық құрылғыларға дейін ұзақ жолдан өтті. Қазіргі күрделі және көп функциялы компьютерлер ауданы бір шаршы сантиметр болатын бір жартылай өткізгішті монокристалда жұмыс істей алады.
Олар қандай да бір жолмен болуы керек едіжіктеу және ажырату. Өте үлкен интегралдық схема (VLSI) осылай аталды, себебі интеграция дәрежесі бір микросхемада 104 элементтен асатын микросұлбаны белгілеу қажет болды. Бұл жетпісінші жылдардың аяғында болды. Бірнеше жыл ішінде бұл микроэлектрониканың жалпы бағыты екені белгілі болды.
Сонымен, өте үлкен интегралдық схема осылай аталды, өйткені осы саладағы барлық жетістіктерді жіктеу қажет болды. Бастапқыда микроэлектроника құрастыру операцияларына құрылды және көптеген элементтерді бір нәрседе біріктіру арқылы күрделі функцияларды жүзеге асырумен айналысты.
Сосын не?
Алғашында өндірілген өнімнің өзіндік құнының қымбаттауының айтарлықтай бөлігі дәл құрастыру процесінде болды. Әрбір өнім өтуі керек болатын негізгі кезеңдерге құрамдас бөліктер арасындағы байланыстарды жобалау, енгізу және тексеру жатады. Функциялар, сондай-ақ тәжірибеде енгізілген құрылғылардың өлшемдері тек қолданылатын құрамдас бөліктердің санымен, олардың сенімділігімен және физикалық өлшемдерімен шектеледі.
Егер олар өте үлкен интегралды схеманың салмағы 10 кг-нан асатынын айтса, бұл әбден мүмкін. Жалғыз сұрақ - компоненттердің осындай үлкен блогын пайдаланудың ұтымдылығы.
Даму
Мен тағы бір шағын шегініс жасағым келеді. Тарихи түрде интегралдық микросхемалар шағын өлшемдерімен және салмағымен тартылды. Бірте-бірте дамумен бірге, жақындауға мүмкіндіктер болдыэлементтерді орналастыру. Және тек емес. Мұны ықшам орналастыру ғана емес, сонымен қатар эргономикалық көрсеткіштердің жақсаруы, өнімділіктің жоғарылауы және пайдалану сенімділігінің деңгейі деп түсіну керек.
Бір құрамдас бөлікте қолданылатын кристалдың ауданына тікелей байланысты материалдық және энергетикалық көрсеткіштерге ерекше назар аудару керек. Бұл көбінесе қолданылатын затқа байланысты болды. Бастапқыда германий жартылай өткізгіш бұйымдар үшін пайдаланылды. Бірақ уақыт өте оның орнын кремний алмастырды, ол анағұрлым тартымды сипаттамалары бар.
Қазір не қолданылуда?
Сондықтан біз өте үлкен интегралдық схеманың осылай аталғанын білеміз, себебі оның құрамында көптеген компоненттер бар. Қазіргі уақытта оларды жасау үшін қандай технологиялар қолданылады? Көбінесе олар 0,25-0,5 микрондағы құрамдастарды тиімді пайдалануға қол жеткізуге мүмкіндік беретін терең субмикрондық аймақ және элементтер нанометрмен өлшенетін наноэлектроника туралы айтады. Оның үстіне, біріншісі бірте-бірте тарихқа айналады, ал екіншісінде көбірек ашылулар жасалады. Мұнда жасалып жатқан әзірлемелердің қысқаша тізімі берілген:
- Ультра үлкен кремний тізбектері. Олардың терең субмикрон аймағындағы минималды құрамдас өлшемдері бар.
- Жоғары жылдамдықты гетеройысу құрылғылары және интегралды схемалар. Олар кремний, германий, галлий арсениді, сондай-ақ басқа да бірқатар қосылыстардың негізінде жасалған.
- Наноөлшемді құрылғылардың технологиясы, оның ішінде нанолитографияны бөлек атап өту керек.
Бұл жерде шағын өлшемдер көрсетілгенімен, олардың қайсысы екенін қателесудің қажеті жоқ.соңғы ультра үлкен интегралдық схема. Оның жалпы өлшемдері сантиметрмен, ал кейбір нақты құрылғыларда тіпті метрге дейін өзгеруі мүмкін. Микрометрлер мен нанометрлер жеке элементтердің (мысалы, транзисторлардың) өлшемі ғана және олардың саны миллиардтаған болуы мүмкін!
Мұндай санға қарамастан, ультра ауқымды интегралдық схеманың салмағы бірнеше жүз грамм болуы мүмкін. Оның ауыр болуы мүмкін, тіпті ересек адам оны өздігінен көтере алмайды.
Олар қалай жасалған?
Заманауи технологияны қарастырайық. Сонымен, өте таза жартылай өткізгішті монокристалды материалдарды, сондай-ақ технологиялық реагенттерді (соның ішінде сұйықтар мен газдарды) жасау үшін сізге қажет:
- Вафельді өңдеу және тасымалдау аймағында өте таза жұмыс жағдайын қамтамасыз етіңіз.
- Технологиялық операцияларды әзірлеу және автоматтандырылған процестерді басқару болатын жабдық кешенін жасау. Бұл өңдеудің көрсетілген сапасын және ластанудың төмен деңгейін қамтамасыз ету үшін қажет. Жасалған электрондық компоненттердің жоғары өнімділігі мен сенімділігі туралы ұмытпау керек.
Өлшемдері нанометрмен есептелетін элементтер жасалғанда бұл әзіл ба? Өкінішке орай, адамның керемет дәлдікті қажет ететін операцияларды орындауы мүмкін емес.
Отандық өндірушілер ше?
НегеӨте үлкен интегралдық схема шетелдік әзірлемелермен тығыз байланысты ма? Өткен ғасырдың 50-жылдарының басында КСРО электрониканы дамытуда екінші орынды иеленді. Бірақ қазір отандық тауар өндірушілерге шетелдік компаниялармен бәсекеге түсу өте қиын. Мұның бәрі жаман емес.
Осылайша, күрделі ғылымды қажетсінетін өнімдерді жасау мәселесіне келсек, қазір Ресей Федерациясында жағдай да, кадрлық та, ғылыми әлеует те бар деп нық сеніммен айта аламыз. Түрлі электронды құрылғыларды жасай алатын кәсіпорындар мен мекемелер аз емес. Рас, мұның бәрі шектеулі көлемде бар.
Сонымен, VLSI жады, микропроцессорлар және шетелде шығарылған контроллерлер сияқты әзірлеу үшін жоғары технологиялық «шикізат» пайдаланылған кезде жиі кездеседі. Бірақ сонымен бірге сигналдарды өңдеу мен есептеулердің белгілі бір мәселелері бағдарламалық түрде шешіледі.
Біз тек әртүрлі құрамдас бөліктерден құрал-жабдықтарды сатып алып, құрастыра аламыз деп ойламау керек. Сондай-ақ процессорлардың, контроллерлердің, ультра ауқымды интегралдық схемалардың және басқа әзірлемелердің отандық нұсқалары бар. Бірақ, өкінішке орай, олар өздерінің тиімділігі жағынан әлемдік көшбасшылармен бәсекеге түсе алмайды, бұл олардың коммерциялық жүзеге асырылуын қиындатады. Бірақ оларды көп қуат қажет етпейтін немесе сенімділік туралы қамқорлық қажет отандық жүйелерде пайдалану әбден мүмкін.
Бағдарламаланатын логикаға арналған PLC
Бұл дамудың бөлек бөлінген перспективалық түрі. Олар жасау керек салаларда бәсекелестіктен тысаппараттық құралдарды іске асыруға бағытталған жоғары өнімді мамандандырылған құрылғылар. Осының арқасында өңдеу процесін параллельдеу міндеті шешіліп, өнімділік он есе артады (бағдарламалық шешімдермен салыстырғанда).
Негізі бұл ультра ауқымды интегралды схемаларда пайдаланушыларға олардың арасындағы байланыстарды реттеуге мүмкіндік беретін әмбебап, конфигурацияланатын функция түрлендіргіштері бар. Және бәрі бір кристалда. Нәтижесі - құрастыру циклінің қысқаруы, шағын өндіріс үшін экономикалық тиімділік және дизайнның кез келген кезеңінде өзгерістер енгізу мүмкіндігі.
Бағдарламаланатын логикалық ультра үлкен интегралдық схемаларды әзірлеу бірнеше айға созылады. Осыдан кейін олар ең қысқа мерзімде конфигурацияланады - және мұның бәрі шығындардың ең төменгі деңгейінде. Әртүрлі өндірушілер, олар жасайтын өнімдердің архитектурасы және мүмкіндіктері бар, бұл тапсырмаларды орындау мүмкіндігін айтарлықтай арттырады.
Олар қалай жіктеледі?
Бұл үшін әдетте пайдаланылады:
- Логикалық сыйымдылық (біріктіру дәрежесі).
- Ішкі құрылымды ұйымдастыру.
- Пайдаланылатын бағдарламаланатын элемент түрі.
- Функция түрлендіргіш архитектурасы.
- Ішкі жедел жадтың болуы/болмауы.
Әр элемент назар аударуға тұрарлық. Өкінішке орай, мақаланың көлемі шектеулі, сондықтан біз тек ең маңызды компонентті қарастырамыз.
Нелогикалық сыйымдылық?
Бұл өте үлкен ауқымды интегралдық схемалар үшін ең маңызды мүмкіндік. Олардағы транзисторлардың саны миллиардтаған болуы мүмкін. Бірақ сонымен бірге олардың мөлшері микрометрдің бақытсыз бөлігіне тең. Бірақ құрылымдардың артық болуына байланысты логикалық сыйымдылық құрылғыны іске асыру үшін қажет қақпалар санымен өлшенеді.
Оларды белгілеу үшін жүз мыңдаған және миллиондаған бірліктердің көрсеткіштері пайдаланылады. Логикалық сыйымдылықтың мәні неғұрлым жоғары болса, ультра ауқымды интегралдық схема бізге соғұрлым көп мүмкіндіктер ұсына алады.
Алға қойылған мақсаттар туралы
VLSI бастапқыда бесінші буын машиналары үшін жасалған. Олардың өндірісінде олар ағынды архитектураны және интеллектуалды адам-машина интерфейсін жүзеге асыруды басшылыққа алды, ол мәселелерді жүйелі шешуді қамтамасыз етіп қана қоймайды, сонымен қатар Машаға логикалық ойлауға, өздігінен үйренуге және логикалық сурет салуға мүмкіндік береді. қорытындылар.
Сөйлеу формасы арқылы қарым-қатынас табиғи тілде жүргізіледі деп болжанған. Әйтеуір, ол іске асырылды. Бірақ бәрібір, бұл идеалды ультра үлкен интегралдық схемаларды толыққанды проблемасыз құрудан әлі де алыс. Бірақ біз, адамзат, сеніммен алға жылжып келеміз. Бұл ретте VLSI дизайнды автоматтандыру үлкен рөл атқарады.
Бұған дейін айтылғандай, бұл көп адам мен уақыт ресурстарын қажет етеді. Сондықтан ақшаны үнемдеу үшін автоматтандыру кеңінен қолданылады. Өйткені, миллиардтар арасында байланыс орнату қажет болғандақұрамдас бөліктер, тіпті бірнеше ондаған адамнан тұратын команда оған жылдар жұмсайды. Дұрыс алгоритм құрастырылған болса, автоматтандыру мұны бірнеше сағатта жасай алады.
Транзисторлық технологияның шегіне жақындап қалғандықтан, одан әрі қысқарту қазір қиын болып көрінеді. Қазірдің өзінде ең кішкентай транзисторлардың өлшемдері бірнеше ондаған нанометрді құрайды. Егер біз оларды бірнеше жүз есе азайтсақ, онда біз жай ғана атомның өлшемдеріне кіреміз. Бұл, әрине, жақсы, бірақ электрониканың тиімділігін арттыру тұрғысынан қалай алға жылжу керек? Ол үшін жаңа деңгейге өту керек. Мысалы, кванттық компьютерлерді жасау үшін.
Қорытынды
Ультра ауқымды интегралдық схемалар адамзаттың дамуына және біздегі мүмкіндіктерге айтарлықтай әсер етті. Бірақ олар көп ұзамай ескіріп, орнына мүлде басқа нәрсе келуі ықтимал.
Әттең, біз қазірдің өзінде мүмкіндік шегіне жақындап қалдық, ал адамзат бір орында тұруға үйренбеген. Сондықтан ультра-үлкен интегралды схемаларға лайықты құрмет берілуі мүмкін, содан кейін олар жетілдірілген дизайнмен ауыстырылады. Бірақ әзірге біз VLSI-ны бар жасаудың шыңы ретінде қолданамыз.
