4.6. Електронний годинник.
Треба спроектувати електронний годинник (Рис.4.12), якщо є генератор годинних імпульсів. В 7 годин ранку повинен дзвонити будильник.
Перше, що треба зробити – спроектувати лічильник, який би відраховував 24 години і повертався в початковий стан (модуль перерахунку – 24).
Іген – генератор годинних імпульсів.
І „0” – установка лічильника в „0”.
Рис.4.12. Електронний годинник.
На цих досить-таки примітивних прикладах ми продемонстрували, що на базі елементів пам'яті і елементів функціональної логіки можна будувати різні комп’ютерні пристрої.
4.7 Елементна база електронних машин.
В широкому сенсі під елементною базою комп’ютера розуміється вся розманітність електротехнічних компонентів: діоди, транзистори, резістори, конденсатори, електронні панелі, світлодіоди, п’єзокристали, джерела живлення, друковані плати, клавіши, роз’еми, … і безліч інших виробів, в тому числі різні периферійні пристрої та засоби комунікації. Але в цій лекції ми зупинимось перш за все на найголовнішому, з нашого розуму, класі елементної бази – на напівпровідникових інтегральних схемах та їх технологіях. Саме поява інтегральних схем призвела до бурхливого розвитку комп’ютерної техніки.
Інтегральна мікросхема (ІС) – це сукупність електрично зв'язаних компонентів (транзисторів, діодів, резисторів і ін.), виготовлених в єдиному технологічному циклі на єдиній напівпровідниковій основі (підкладці).
Стрімкий розвиток комп’ютерної техніки став можливим перш за все завдяки технологічним досягненням в галузі мікроелектронних технологій. В 1965 р. Гордон Мур, в майбутньому один із засновників фірми Intel, оприлюднив свій прогноз розвитку мікроелектроніки на майбутні 10 років:
«Кількість елементів на кристалі буде збільшуватись вдвічі кожних 1,5 року». Ця функціональна залежність одержала назву – «закон Мура» (Рис. 4.13).
Рис 4.13. Закон Мура
Цей закон не належить до числа «наукових» - математичних чи фізичних – законів, а являє собою вдало узагальненим досвідом шестирічного на той час випуску мікроелектронних елементів. Не зважаючи на свою емпіричність, закон Мура з деякими уточненнями заклав фундаментальний вектор розвитку чипів в дійсності більш ніж на 40 років.
Гордон Мур (1929 р.) – почесний голова ради директорів і один із засновників корпорації Intel, основоположник «закону Мура».
Вражауючим є той факт, що на час публікації статті Мура найбільш складна інтегральна схема мала 64 транзистори, і його феноменальна прозорливість полягає якраз в тому, що на основі досить скромного досвіду, але глибокого розуміння перспектив технології, він спромігся сформулювати довготерміновий прогноз. Для ілюстрації – процесор Intel Itanium (Montecito), випущений в 2005 р., вміщує 1,7 мільярдів(!) транзисторів.
Існує доволі умовна класифікація інтегральних схем по ступеню їх інтеграції (надається в російській інтерпретації):
МИС ≤ 102 – малые интегральные схемы
СИС ≤ 103 – средние …
БИС ≤ 104 – большие …
СБИС ≤ 106 – сверхбольшие …
УБИС ≤ 109 – ультрабольшие …
ГБИС ≥ 109 – гигабоьшие …
Ще одним вражаючим феноменом закону Мура є його універсальність, тобто не тільки відображення закономірностей мікроелектронних технологій, але придатність взагалі для широкого спектру сучасних високих технологій, де він також відображує тенденції експоненціального розвитку ряду явищ в сучасному суспільстві. Можна сказати, що закон Мура став синонімом технологічної революції наприклад в IT-індустрії, в конвергенції обчислювальних і комунікаційних можливостей і, навіть, в біології, медицині, оптиці, сільському господарстві.
Віддаючи пальму першості напівпровідниковим інтегральним схемам, необхідно втім підкреслити надзвичайний вплив на розвиток технічних характеристик обчислювальних машин багатьох інших комп’ютерних компонент: зовнішніх накопичувачів інформації («вінчестерів», оптичних дисків), принтерів, плотерів, дисплеїв, «флешок», «мишок», модемів та інш. І само собою, появи високих технологій зборки і компоновки пристроїв (наприклад, багатошарових друкованих плат).
Технологічний процес в електронній промисловості.
При виготовленні мікросхем використовується метод фотолітографії, при цьому схему формують на підкладці з кремнію (Рис.4.14). Як характеристика технологічного процесу виробництва мікросхем вказують мінімальні контрольовані розміри топології, наприклад, складових елементів транзисторів. У 1970-х роках мінімальний контрольований розмір складав 2‒8 мкм (10-6 м), в 1980-х він був зменшений до 0,5 ‒ мкм. Деякі експериментальні зразки фотолітографії устаткування рентгенівського діапазону забезпечували мінімальний розмір 0,18 мкм.
У 2010 р. на ринку з'явилися процесори, розроблені по 32-нм (10-9 м)
технологічному процесу. У квітні 2012 року в продаж поступили процесори, розроблені по 22-нм технологічному процесу Процесори з технологією 14 нм плануються до впровадження в 2014 році, а 10 нм ‒ близько 2018 року.
Рис. 4.14. Топологія інтегральної схеми.
Технології з розмірами меншими ніж 0,1мкм відносяться до класу нанотехнологій. ( 10-9м = 1нанометру). Це вже рівень молекул і атомів. На цих розмірах подальше впровадження класичних напівпровідникових технологій вже не можливо. і закон Мура вже не спрацьовуєю. На Рис.4.15 зображений напис ІВМ складений з атомів ксенона.
Рис. 4.15.