книги из ГПНТБ / Апокин, И. А. Развитие вычислительных машин

Глава VI

ЦВМ НА ДИСКРЕТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

1. Общая характеристика

Создание и совершенствование машин второго поколения,

т, е. машин, выполненных па дискретных полупроводниковых и

магнптпых элементах, явилось качественно новым шагом па пу­

ти развптпя электронной цифровой вычислительной техники.

Производительность универсальных машин большой вычис­

лительной мощности, машин среднего класса и малых электрон­

ных ЦВМ возросла по сравнению с соответствующими типами

ламповых ЦВМ приблизительно па два порядка величины. Одно­

возросла плотность монтажа. Значительно уменьшились относи­

тельная стоимость, т. е. стоимость в пересчете па производи­ тельность, и потребляемая мощность, а также улучшились усло­

вия эксплуатации. Соответствующие типовые данные для уни­

версальных ЦВМ представлены в табл. 2 и 4 [1].

230

В целях иллюстрации значительного повышения производи­

тельности машин, связанного только с заменой ламп транзисто­

рами (без каких-либо существенных схемно-структурио-програм-

мных усовершенствований), рассмотрпм две серийные универ­

сальные ЦВМ, выпущенные фирмой «ИВМ»: модель 709 и модель 7090. Обе модели — ЦВМ высокого класса, предназначен­

ные для выполнения расчетов как научно-технического, так и

коммерческого характера. Интервал времени, отделяющий даты ввода в эксплуатацию первых экземпляров данных моделей, со­

ставляет 21 месяц: август 1958 г. (ИБМ-709) — июнь 1960 г. (ИБМ-7090) [1]. Цо своей структуре модель 7090 — полупро­

водниковый вариант ламповой модели 709 и по производитель­ ности превосходит ее приблизительно на порядок величины .* При работе с двоичными числами длиной 36 разрядов операция сложения выполнялась машиной ИБМ-7090 за 4,4 мксек, а ма­

шиной ИБМ-709 за 24 мксек. Машины имели сопоставимую ем­ кость оперативной памяти па ферритовых сердечниках: модель

709 — от 4 до 32 тыс. чисел в зависимости от количества исполь­ зуемых блоков, модель 7090 — 32 тыс. чисел. При этом время

полного цикла запоминающего устройства составляло для моде­ ли 709 12 мксек, а для модели 7090 — 2,2 мксек.

Изменение характеристик привело к существенному расши­

рению областей применения электронных ЦВМ как за счет по­ вышения их быстродействия, т. е. расширения класса решаемых

задач, так и за счет снижения веса, габаритов и потребляемой мощности с результирующим применением в авиации, космиче­

ской технике, управляющих системах, работающих в действи­

тельном масштабе времени, и т. д. В свою очередь расширение

областей применения оказалось мощным фактором, стимулирую­

щим рост парка электронных ЦВМ и соответственно масштабы

их производства.

Рассматривая роль постулированных в первой главе факто­

ров повышения производительности электронных ЦВМ, необхо­ димо отметить следующее. В процессе создания и совершенст­ вования машин второго поколения огромную роль сыграли из­

менения в структуре ЦВМ, в частности развитие различных форм параллельной работы, т. е. совмещение во времени процес­ сов выполнения частей одной машинной команды, последова­

тельности нескольких машинных комавд и участков одной или

нескольких программ. Роль структурного, точнее структурно­ программного, фактора возросла, и его удельный вес в повыше-

*Приведем две имеющиеся в нашем распоряжении сравнительные оценки производительности данных ЦВМ. По оценке специалистов «ИВМ», модель 7090 превосходила по быстродействию модель 709 в шесть раз [2]. По шка­ ле К. Найта эффективное быстродействие модели 7090 превышало быстро­ действие модели 709 в 52,1 раэа при выполнении научно-технических рас­ четов и в 4,4 раза при выполнении расчетов коммерческого характера [3].

231

пііи производительности машин стал сопоставим с удельным весом физико-технологического фактора, т. е. фактора, обуслов­

ленного совершенствованием технологии п разработкой элемен­ тов на новых физических принципах. В этом отношении показа­

тельна разработка одного из наиболее крупных проектов ЦВМ второго поколения — проекта СТРЕТЧ (фирма «ИВМ», США).

Важнейшей задачей проекта было создание универсальной

ЦВМ, производительность которой была бы в 100 раз выше, чем

Рост количества п мощности парка электронных ЦВМ в США

J — количество ЦВМ;

2 — мощность парка (млн. оп/сех)

производительность машины ИБМ-704, т. е. самой быстродейст­

вующей ЦВМ в мире по состоянию на 1956 г. (см. табл. 2). В на­ чале работы над проектом (1955 г.) учитывались перспективы совершенствованпя элементов ЦВМ, в частности переход на

транзисторную технику. В то же время предварительная оценка ближайших (на 3—4 года вперед) перспектив показала, что за

счет применения новых схем п новой технологии удастся выпол­ нить только часть задачи, а именно повысить производительность

на порядок величины по сравнению с ИБМ-704. Один из авторов проекта Ф. Брукс мл. следующим образом описывает возникшую

ситуацию: «Предполагалось, что ожидавшиеся технические усо­

вершенствования позволят строить разработку, используя повые запоминающие устройства на магнитных сердечниках с циклом

2 мксек, новые транзисторные схемы с задержками 10—20 нсек

на каскад и соответствующие новые методы монтажа и компо­

новки схем. Новая транзисторная техника обеспечивала не толь­ ко высокие скорости работы, но и новый уровень надежности,

который делал небезосновательным рассмотрение машины с сот­ нями тысяч элементов. Для того чтобы завершить создание ма­

шины к заданному сроку, было решено пойти на риск, связан­

ный с разработкой компонентов и отдельных устройств машины одновременно с ее проктированием в целом. По сравнению с ма­

шиной ИБМ-704 быстродействие новых схемных элементов мог­ ло быть повышено только в 10—20 раз, а новых запоминающих устройств — только в шесть раз. Для достижения значительного быстродействия требовалась новая организация системы»

232

[2, стр. 20]. Именно новые структурные решения обеспечили в ко­

нечном итоге приближение к поставленной целп2.

В то же время необходимо подчеркнуть, что развитие структур

универсальных ЦВМ, а также новые схемотехнические решения,

тоже оказавшие влияние на повышение производительности

машин, осуществлялись па базе транзисторной техники, т. е. эле­

ментов с лучшими характеристиками, в частности со значитель­

но более высоким сроком службы, чем электронные лампы. Имен­

но основные параметры транзисторов, включая надежность, со­ поставимую с надежностью таких пассивных элементов, как сопро­

тивления и конденсаторы, во многом обеспечивали реализа­

цию новых структурных и схемотехнических решений. В отно­

шении структурпых решений роль характеристик используемых

элементов становится очевидной, например, при рассмотрении

наиболее мощных вычислительных систем второго поколения,

таких как СТРЕТЧ (США, 1961 г.), «Атлас» (Великобритания, 1962 г.), БЭСМ-6 (СССР, 1966 г.) и др. Построение подобных

систем, содержащих около IOs активных элементов, на основе электровакуумной техники было бы весьма затруднительным,

прежде всего пз-за невысокой надежности электронных ламп.

Таким образом, ведущая роль физико-технологического фактора

вразвитии электронных ЦВМ продолжала сохраняться.

Вкомплексе элементов на твердом теле, использованных в

ПВМ второго поколения, важнейшую роль, с точки зрения совер­ шенствования характеристик ЦВМ, сыграло применение транзи­

стора. Если использование полупроводниковых диодов позволило

значительно сократить количество электронных ламп в ЦВМ,

а замена электронно-лучевых трубок ферритовыми сердечника­ ми обеспечила ведущую роль дискретных элементов на твердом теле в качестве носителей информации, то применение транзи­

сторов позволило полностью отказаться от использования элект­

ронных ламп во всех устройствах машин. Из-за широкого при­ менения транзисторов понятие «транзисторная ЦВМ» стало си­

нонимом понятия «ЦВМ второго поколения», несмотря на то, что

в машинах второго поколения были использованы и другие типы активных элементов электронных схем (магнитные элементы,

параметроны, туннельные диоды). Улучшение характеристик

транзисторов в процессе совершенствования их технологии стало

мощным фактором развития ЦВМ второго поколения.

Первые транзисторы, нашедшие практическое применение,

были разработаны в США в конце 40-х годов. В 1947 г. амери­

канские ученые У. Браттейн и Дж. Бардин, проводившие иссле­

дования под руководством физика У. Шокли, открыли транзи­

сторный эффект в процессе экспериментов над германиевыми

2 По шкале К. Найта производительность системы СТРЕТЧ при решении научно-технических задач превышала производительность ИБМ-704 в 34,7 раза и при решении задач, связанных с обработкой больших массивов ин­ формации,— в 162 раза [3].

233

кристаллическими детекторами (см. рисунок). При установке

зондирующей иглы вблизи основного контакта детектора и пода­

че на зонд отрицательного напряжения ток в цепи зонда возра­ стал на несколько порядков величины, следуя за изменениями входного тока. В 1948 г. было опубликовало сообщение о сделан­ ном открытии и разработаны первые точечно-контактные герма­

ниевые транзисторы [4].

Основной

контакт

Схема опыта, приведшего к от­ крытию транзисторного эф­ фекта в кристалле гермаппя

Не задаваясь целями подробного освещения предшествовав­

ших исследовании в области полупроводников, позволивших в

конечном итоге создать активные полупроводниковые элементы,

отметим, что эти исследования проводились учеными многих

стран. Изучеппе детекторных свойств точечного контакта метал­ лической пружины с полупроводниковыми кристаллами бы.то

начато в 900-х годах в России и за рубежом. В 1922 г. советский

радиофпзпк О. В. Лосев, работая с малыми напряжениями — по­ рядка 4 в, впервые показал возможность применения полупро­ водниковых детекторов для генерирования и усиления электро­

магнитных колебаний за счет использования падающих участков

их вольт-амперных характеристик. Дальнейшие исследования в

данном направлении привели в конечном итоге к созданию в

1958 г. туннельного диода, нашедшего в 60-х годах применение

вэлектронных ЦВМ.

В30-х годах теоретические и экспериментальные исследова­ ния в области полупроводников были развернуты в Ленинград­

ском физико-техническом институте под руководством А. Ф. Иоф­

фе. В 1938 г. Б. И. Давыдов и другие советские ученые разработа­

ли диффузионную теорию выпрямления переменного электриче­

ского тока кристаллическими детекторами. В соответствии с

теорией Давыдова выпрямление происходит на границе двух

полупроводниковых слоев, один из которых обладает электронной проводимостью, а другой — дырочной проводимостью. Качествен­

ное подтверждение теории было получено в 1941 г. в работах со­ ветского ученого В. Е. Лашерова. В современном виде теория электронно-дырочного (р — ?г) -перехода была развита в 40-х годах

в США У. Шокли.

234

В 20—30-х годах немецкие ученые изобрели транзисторы на основе сульфида меди и бромида галлия. Трехэлектродный уси­ литель на основе пленки сульфида меди был запатентован в

1925 г. ІО. Лилиенфельдом, а в конце 30-х годов был изобретен усилитель на монокристалле бромида галлия (Р. Хильш и

Р. Поль). Однако практического применения эти открытия не

получили. В СССР первые образцы германиевых точечных

транзисторов были изготовлены в 1949 г. А. В. Красиловым и С. Т. Мадоян [5].

Основные причины, обусловившие замену электронных ЦВМ

ламповых схем схемами па транзисторах, заключаются в сле­

дующем.

1. Нить накала электронной лампы теряет со временем эмис­

сионные свойства и перегорает. Средний срок службы транзисто­ ра в IO2—IOj раза выше, чем срок службы лампы, и сопоставим

со средним сроком службы сопротивлений и конденсаторов. На­ дежность устройств, работа которых нарушается при выходе из строя хотя бы одного из компонентов, находится в прямой зави­

симости от их срока службы. При этом надежность компонентов

(например, электронных ламп) определяет их максимальное

п —

контроля, резервирования и других методов повышения работо­ способности мояіно добиться значительно более длительных сро­

ков непрерывной работы. Тем не менее очевидно, что эксплуата­

ция системы, содержащей около IO3 ламп со средним сроком службы порядка IO4 час, связана с серьезными трудностями.

Таким образом, вакуумная лампа ставила предел увеличению

количества электронной аппаратуры и, следовательно, препятст­

вовала повышению вычислительных возможностей ЦВМ.

2. Электронные лампы работают при значительных токах и

напряжениях и соответственно требуют мощных источников пи­ тания. При этом существенную роль играют тепловые потери (до 75% потребляемой мощности). В маломощных схемах элект­ ронная лампа потребляет около 0,1 вт, т. е. на порядок величины больше, чем однотипный транзистор 3. Заметим также, что при­ менение схем на транзисторах позволяет значительно снизить требования к вентиляции и охлаждению ЦВМ.

3. Габариты электронных ламп, несмотря на все попытки их

миниатюризации, значительно превышают размеры дискретных

составляют: для электровакуумной лампы 1 вт и для транзистора 10— 100 мет.

235

ронной аппаратуры составляет IO2 деталей в 1 дм3 для обычных

радиоламп и пассивных элементов и до IO3 деталей — для сверх­ миниатюрных ламп в сочетании с миниатюрными пассивными

компонентами. Применение дискретных транзисторов в сочета­

нии с миниатюрными пассивными элементами позволяет еще на

порядок величины повысить среднюю плотность монтажа.

4. Более высокая механическая прочность транзистора не

только повышает его надежность, ио и делает его более техноло­

гичным элементом по сравнению с электронной лампой. Монтаж

схем на транзисторах значительно легче поддается механиза­

ции и автоматизации, чем монтаж ламповых схем. Результатом

является соответствующее снижение себестоимости полупровод­ никовых устройств.

Таким образом, преимущества транзистора создавали потен­

циальные возможности для замены электронной лампы. Для

превращения возможности в действительность было необходимо,

в частности, снизить себестоимость транзисторов со стабильными

характеристиками до уровня, сопоставимого с себестоимостью

электронных ламп. В конечном счете повышение воспроизводи­

мости параметров транзисторов при серийном производстве было

достигнуто за счет внедрения новых технологических методов

изготовления полупроводниковых приборов, а также за счет ав­

томатизации производства.

Наиболее крупные успехи в технологии и соответственно в процессе совершенствования характеристик транзисторов связа­

ны с переходом от точечно-контактпых к плоскостным и от пло­

скостных к планарным диффузионным транзисторам. Как отме­

(7]. В начале 50-х годов в США были разработаны первые герма­

ниевые плоскостные транзисторы. Для их изготовления исполь­

[10]. Наряду с методами вытягивания и сплавления в первой по­ ловине 50-х годов в США был разработан электрохимический

метод (струйное травление пластинки германия), с помощью

236

которого в 1953 г. были получены первые поверхностно-барьерные транзисторы [11, 12]. Применение данных технологических мето­

дов позволило в конечном итоге повысить предельную частоту усиления по току до 20—80 Мгц.

Следующим крупным шагом на пути разработки высокочастот­ ных транзисторов явилось применение диффузионной технологии,

т. е. технологии формирования р — 72-переходов путем диффузии примесей в полупроводниковый кристалл. Первые исследования

Структура диффузионно-сплав­ ного дрейфового транзистора

в этой области были проведены в середине 50-х годов Фуллером и Данлэпом (США). «Диффузионные методы оказались луч­ шими из управляемых методов создания р — n-переходов. Так как

обыкновенные дримеси диффундируют в полупроводник очень

медленно, то их скорости можно менять регулированием темпе­

ратуры. При этом процесс хорошо контролировался и в результа­

те можно было получать достаточно хорошую воспроизводимость распределений примесей. Следовательно, можно было контроли­ ровать электрические параметры изготовляемых приборов. Воз­

можность получения базовых областей с толщиной всего лишь в

доли микрона позволяет изготавливать транзисторы, работающие на очень высоких частотах» [13, стр. 1029].

В середине 50-х годов диффузионная технология была приме­

нена в сочетании с другими ранее разработанными методами (вы­

тягивание, сплавление, струйное травление) для получения раз­

личных типов высокочастотных транзисторов. При этом широкое

распространение получил диффузионно-сплавной метод изготов­ ления маломощных дрейфовых транзисторов на основе германия с предельной частотой усиления по току 100—500 Мгц. Комбини­

рованное ,применение различных технологических методов (вклю­

чая испарение в вакууме) позволило в 1956 г. создать первые

дрейфовые транзисторы4 с мезаструктурой (мезатранзисторы),

4 Возможность повышения рабочей частоты за счет создания ускоряющего поля (дрейфового механизма переноса носителей заряда от эмиттера к коллектору) было предсказано Крёмером в статье «Дрейфовый транзи­ стор», опубликованной в 1953 г. [14]. Разработка диффузионной техноло­ гии, позволяющей получать контролируемое распределение примесей, соз­ дала необходимые предпосылки для практического использования данного эффекта.

237

характеризующиеся уменьшенной площадью электродов и мень­

шим объемом пассивной пасти базовой области [15, 16]. Важной

особенностью данной технологии явилась возможность изготовле­

ния сотен мезатраизисторов на одной пластине.

Одним из важнейших методов повышения надежности и эко­ номичности аппаратуры, а также дальнейшего расширепия ча­

стотного диапазона явилась разработка в начале 60-х годов пла­

нарной технологии. В отличие от предшествовавших технологи­

ческих методов, примененных преимущественно при изготовлении

Эмиттер база

Структура кремниевого пла­ нарного транзистора

транзисторов из германия, планарная технология была разработа­

на применительно к полупроводниковым приборам на основе

кремния. Одним пз существенных преимуществ кремниевых транзисторов является их больший температурный диапазон.

Другое преимущество определялось более высокой технологич­ ностью кремния, обусловленной возможностью образования на поверхности кристалла химически стойкой п механически прочной пленки двуокиси кремния. Последнее обстоятельство было исполь­

зовано при разработке планарной технологии, основанной полно­

стью па прпменеиип диффузионных методов. При использовании

планарной технологии все выводы транзистора располагаются в одной плоскости. При этом пленка двуокпсп кремния служит за­

щитным покрытием кристалла. Кроме того, она используется в

процессе изготовления транзисторов в качестве маски для фор­

мирования диффузионных областей заданной конфигурации5.

Применение планарной диффузионной технологии позволило выйти в гигагерцовый диапазон частот п создать эксперименталь­

применяться другие технологические методы производства высо­ кочастотных транзисторов: легированпе кристалла в процессе

ионной бомбардировки, использование электронно-лучевой техно­

логии и т. д.

Следует отметить, что каждый шаг на пути совершенствования

технологии был, как правило, связан с серьезным повышением

5 Метод защитного покрытия кремния окислом был разработай Ч. Фрошем

(США) в 1957 г. [17].

238