Лапшинский Сборник задач и заданий с ответами, решениями 2011

6. Как устроен процессор в современных компьютерах?

Комментарий к теме Если рассматривать в деталях устройство современных

ИМС процессоров (микропроцессоров), то эта весьма сложная задача. Тем более, что об устройстве процессоров невозможно говорить без анализа их системы команд. Устройство процессоров разных типов RISC, CISC, MISC, специализированных процессоров может значительно различаться. И все же устройство и традиционная архитектура процессоров имеет много общего. По крайней мере, основные элементы процессоров в соответствии с концепциями фон Неймана и Тьюринга известны (рис. 2.12). Предполагается, что о них в творческом задании будет сказано.

Какими могут быть в процессоре новые элементы? Вот в чем вопрос! Приближается ли устройство современных процессоров к «устройству» человеческого мозга? Возможно ли создание искусственного интеллекта? Справедлива ли современная концепция о том, что «память всегда важнее логики»? Какую роль будет играть наноэлектроника в устройстве процессоров ближайшего и дальнего будущего?

Хотелось бы увидеть в творческом задании обоснованный ответ хотя бы на один из поставленных вопросов!

7.Разновидности и устройство памяти

всовременных компьютерах

Комментарий к теме Полупроводниковая память в современных компьютерах

разнообразна. Оперативная, буферная, постоянная, полупостоянная. SRAM (статическая), DRAM (динамическая), ROM (постоянная, энергонезависимая), EEROM и EPROM (полупостоянная), флэш-память разных типов.

Творческое задание можно начать с классификации современной полупроводниковой памяти и ее современных характеристик: быстродействия, информационной емкости,

81

энергопотребления. Можно рассмотреть особенности и генезис функциональных возможностей ИМС памяти (рис.2.13): основных (чтение и запись информации) и дополнительных (саморегенерации, самотестирования, самокоррекции ошибок, перестраиваемости организации или «базовых» кристаллов памяти и т.д.). Дополнить эту классификацию было бы можно описанием характеристик отдельных элементов памяти разных типов. И на этом остановиться.

Рис.2.13. Генезис роста функциональных возможностей интегральных микросхем памяти

(ИС, больших и сверхбольших ИС) различных типов. Представления об устройстве ИМС памяти

в начала 80-х годов XX века37

37 Рисунок из диссертации В.А. Лапшинского «Процессорно-ориентирован- ная организация как метод повышения эффективности СБИС памяти.– М.: МИФИ.– 1981 г.

82

Но лучше пойти дальше! И убедительно обосновать либо опровергнуть современную концепцию о том, что «память всегда важнее логики (процессоров)».

В задании автор может сравнить устройство памяти компьютеров с «устройством» памяти (мозга) человека. Можно поговорить о наноэлектронных конкурентах (рис.2.14) памяти на основе кремниевой микроэлектроники, например, о памяти типа MRAM, памяти на квантовых точках, отдельных атомах и молекулах.

Рис.2.14. Перспективные технологии памяти: итоги и поэтапные прогнозы развития38

Наноэлектронная углеродная память на нанотрубках, графене, графане, фуллеренах и т.д., несомненно, также представляет большой интерес. Здесь есть, где развернуться пытливому уму. И, в конце концов, написать, о «разумной» наноэлектронной памяти – будущем «конкуренте» естественного интеллекта.

38 http://www.compress.ru/article.aspx?id=17110&part=21ext1

83

8. Перспективы фотоприемных устройств на квантовых ямах

Комментарий к теме См. комментарии к задачам и творческим заданиям,

касающимся фотоприемных устройств, олимпиад 2009/10 гг.

Материалы для микро- и наноэлектроники

9. Графен как основа для углеродной наноэлектроники

Комментарий к теме В последнее время наблюдается очень большой интерес к

такому веществу как графен (рис.2.15 и 2.16). Некоторые ученые полагают, что это материал интегральных микросхем будущего, возможная замена кремния. Нобелевская премия по физике 2010 года была присуждена Андрею Гейму и Константину Новоселову за работы по созданию и исследованию двумерного материала графена.

Рис.2.15. Графен – основа углеродной наноэлектроники?

84

Предлагается провести анализ имеющейся информации по получению и свойствам этого материала, указать его преимущества и недостатки по сравнению с кремнием для создания перспективных электронных приборов.

Рис.2.16. Возможно, когда-нибудь графен найдет и такое применение

85

Олимпиада 2010 года

Элементы и чипы ИМС и ИНС

1. Транзисторные элементы электронных схем как основа развития микро- и наноэлектроники

Комментарий к теме В небольшой заметке, набранной мелким шрифтом в газете

«The New York Times» от 1 июля 1948 года, было написано:

«Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемон-

стрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», который в ряде случаев можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Прибор был применен в схеме радиоприемника, не содержащего обычных ламп, а также в телефонной системе и телевизионном устройстве. Во всех случаях прибор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны. Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 миллиметров, совсем не похож на обычные лампы, в нем нет ни полости, из которой откачан воздух, ни сетки, ни анода, ни стеклянного корпуса. Транзистор включается практически мгновенно, не требуя разогрева, поскольку в нем отсутствует нить накала. Рабочими элементами прибора являются лишь две тонкие проволочки, подведенные к куску полупроводника величиной с булавочную головку, припаянному к металлическому основанию. Полупроводник усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая отводит усиленный ток».

Изобретения полевых и биполярных транзисторов

(рис.2.19), разработка физических и технологических основ их реализации сначала в дискретном виде, а потом и в составе интегральных полупроводниковых микросхем, стали важными

86

событиями развития научно-технического прогресса второй половины ХХ века. Эти события остаются основополагающими для микро- и наноэлектроники и в ХХI веке.

Рис.2.19. Первый транзистор

Рис.2.20. Современный МОП-транзистор, изготовленный по технологии 32 нм39

За последние годы существенно изменился облик электронной техники, характеристики элементов которой

39 http://offline.computerra.ru/2004/561/36072/ - Транзисторы, микросхемы,

миниатюризация.

87

приблизились к своим предельным возможностям, что позволяет сегодня создавать уникальные микро- и наноприборы и системы для различных областей человеческой деятельности.

Предполагается, что автор творческого задания представит информацию об этих событиях в историко-логическом ключе и на примерах покажет роль транзисторных элементов в развитии микро- и наноэлектроники.

2.МОП-транзистор как базовый элемент современной

ибудущей наноэлектроники

Комментарий к теме Базовым элементом современных чипов процессоров и

памяти являются различные модификации МОП транзисторов (МОП – металл, окисел, полупроводник), рис. 2.20.

Автору задания предлагается кратко описать различия и общее в физике работы МОП транзисторов в микро- и наноэлектронных схемах. Показать, каким образом используются МОП транзисторы в чипах процессоров и памяти, и дать свой взгляд на дальнейшее совершенствование этого базового элемента наноэлектроники.

3. Мемристоры

Комментарий к теме

В 2008 году сотрудниками компании HP был практически реализован четвертый базовый пассивный элемент электронных цепей, который считался недостающим звеном фундаментального семейства, включавшего к тому времени резистор, конденсатор и катушку индуктивности. Теоретически существование этого недостающего базового элемента семейства было предсказано еще в 1971 году Леоном Чуа, который назвал его мемристором (рис. 2.21). Предполагают,

88

что мемристоры могут существенно изменить современную электронику, еѐ схемотехнику40.

Рис.2.21. Базовые элементы электроники, включая мемристор

На основе имеющихся литературных источников предлагается рассмотреть следующие вопросы: свойства мемристора, использование нанотехнологий при его практической реализации и перспективы применения этого элемента для микро- и наноэлектроники.

4. Нанобиочип или лаборатория на кристалле

Комментарий к теме В настоящее время основными методами определения

маркеров инфекционных заболеваний являются иммуноферментный анализ и полимеразная цепная реакция. Эти методы зарекомендовали себя как высокоспецифичные и чувствительные. Однако они имеют ряд недостатков – длительность постановки, отсутствие жесткого контроля качества тест-систем, возможность загрязнения исследуемых образцов ДНК или РНК, высокая стоимость реактивов и

40 Любопытно, что в системах автоматизированного проектирования (САПР) ИМС и ИНС уже появились модели мемристоров.

89

приборов. Методы, основанные на использовании нанобиотехнологий, позволяют преодолеть эти недостатки.

Рис.2.22. Биочип – лаборатория на кристалле41

С этой точки зрения, среди наноустройств наибольший интерес представляют системы или лаборатории-на- кристалле (рис.2.22) на основе быстродействующих биосенсоров, позволяющие выявлять белковые маркеры заболеваний в реальном времени.

Современные нанобиосенсоры характеризуются сверхвысокой чувствительностью и быстротой анализа. Существуют два возможных способа получения информации в нанобиочипе: оптический и электронный.

В основе функционирования электронного нанобиочипа лежит свойство изменения проводимости биополимера, например, при его гибридизации с комплементарным участком. Это позволяет уменьшить биочип до нанометровых размеров. Оптический нанобиочип использует преимущественно процессы спектральной люминесценции. Нанобиочипы могут быть использованы для диагностики

41 http://en.wikipedia.org/wiki/Lab-on-a-chip – лаборатория на кристалле.

90