10.Элементная база компьютера. Развитие твердотельной электроники. Технологии микроэлектроники. Развитие нанотехнологии.
Выделяют пять поколений компьютеров. Каждое поколение характеризуется элементной базой - видом элементов, из которых построена оперативная память и процессор, и развитием программного обеспечения.
Первое поколение (50 года). Элементной базой компьютеров первого поколения были вакуумные электронные лампы, которые сегодня еще можно увидеть в старых телевизорах и радиоприемниках. Тысячи ламп были в металлических шкафах, которые занимали много места. Весила такая машина десятки тонн. Для ее работы требовалась электростанция. Для охлаждения машины использовали мощные вентиляторы. Программирование выполняли в кодах машины, доступ к которой имели только специалисты-профессионалы.
Второе поколение (60 года). Элементной базой компьютеров второго поколения были транзисторы, которые заменили электронные лампы. Транзисторы значительно меньше ламп и потребляют значительно меньше энергии. Поэтому размеры компьютера уменьшились. Возможности же увеличились, поскольку появились языка программирования высокого уровня и программное обеспечение. Программирование стало доступным и для не профессионалов в области компьютеров. В программном обеспечении были заранее разработанные программы решения наиболее типичных задач. Быстродействие машин достигла сотен тысяч операций за секунду. Значительно увеличилась оперативная память. Наиболее распространенными были такие марки машин: "Элиот" (Англия), "Сименс" (ФРГ), "Стретч", "CDC" (США), "Раздаи-2", серия "Минск", "Урал", "Найри", "Мир", "Бзсм-б" (в нашей стране).
Третье поколение (70 года). Элементная база компьютеров третьего поколения - интегрированные устройства (интегральные схемы, чипы). Интегрированное устройство - это небольшая пластинка из чистого кремния, на которой являются миниатюрные электронные элементы: транзисторы, резисторы и т.п..
Таких элементов на квадратном сантиметре сначала было несколько тысяч. Значительно увеличились быстродействие (до нескольких миллионов операций за секунду) и объем оперативной намятые. Развилось программное обеспечение. Удобство в пользовании открыло широкий доступ к компьютерам. Такая машина может одновременно решать несколько задач, выполняя несколько программ.
Четвертое поколение (80 года). Элементной базой компьютеров четвертого поколения являются крупномасштабные интегрированные устройства. Прогресс, в физике, полупроводников дал возможность разместить большое количество элементов на маленьком кристалле кремния (десятки тысяч на квадратном сантиметре). Кроме того, на одном кристалле кремния стало возможно разместить устройство, которое воссоздает работу процессора. Такие кристаллические процессоры называются микропроцессорами. Это обусловило появление микрокалькуляторов, персональных компьютеров, которые можно размещать на обычном рабочем столе, а также мощных много процессорных компьютеров. Увеличились быстродействие (к миллиарду операций за секунду), емкость оперативной памяти, удобство в пользовании. Массовое производство и сбыт обеспечили резкое снижение цен на компьютерную технику.
Пятое поколение (90 года). Элементной базой компьютеров пятого поколения стали очень большие масштабные интегрированные устройства, которые содержат сотни тысяч элементов на квадратном сантиметре.
Толчком для развития твердотельной электроники послужили долгое время необъяснимые физические загадки, называемые «плохими» проводниками. Еще в XIX в. выдающийся английский физик М. Фарадей (1791-1867) столкнулся с первой загадкой - с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону, что противоречило известному к тому времени представлению: электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время французский физик А.С. Беккерель (1788-1878) обнаружил, что при освещении «плохого» проводника светом возникает электродвижущая сила - фотоЭДС. Так появилась вторая загадка. В 1906 г. немецкий физик К.Ф. Браун (1850-1918) сделал важное открытие: переменный ток, пропущенный через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была третья физическая загадка.
В дальнейшем к «плохим» проводникам были отнесены сульфиды и оксиды металлов, кремний, оксид меди и т.п. - вещества, получившие название полупроводников. Выпрямление электрического тока с помощью полупроводников и их фотопроводимость нашли практическое применение: были созданы соответственно твердотельный выпрямитель электрического тока и фотоэлемент. В 1879 г. американский физик Э. Холл (1855-1938) обнаружил новое явление - возникновение электрического поля в тонкой пластине золота с током, помещенной в магнитное поле, - названное эффектом Холла. Такой эффект наблюдается и в полупроводниках. Предполагалось, что направление электрического поля определяют электроны и какие-то неизвестные положительно заряженные частицы. Эффект Холла - четвертая загадка «плохих» проводников.
Известная теория электромагнитного поля Максвелла не смогла объяснить ни одну из четырех загадок. Пока физики искали отгадки, полупроводники находили применение. Например, контакты из полупроводниковых материалов и металла использовались в первых приемниках радиоволн. Кристаллические полупроводниковые детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но усиливать их не удавалось.
Микроэлектроника — подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов с геометрическими размерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше.
Такие устройства обычно производят из полупроводников и полупроводниковых соединений, используя фотолитографию и легирование. Большинство компонентов обычной электроники: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, изоляторы и проводник — также применяются и в микроэлектронике, но уже в виде миниатюрных устройств в интегральном исполнении.
Цифровые интегральные микросхемы по большей части состоят из транзисторов. Аналоговые интегральные схемы также содержат резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности используются в схемах, работающих на высоких частотах.
С развитием техники размеры компонентов постоянно уменьшаются. При очень большой степени интеграции компонентов, а следовательно при очень малых размерах каждого компонента, очень важна проблема межэлементного взаимодействия — паразитные явления. Одна из основных задач проектировщика — компенсировать или минимизировать эффект паразитных утечек.
Различают такие направления микроэлектроники, как интегральная и функциональная.
Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «В том мире полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.
Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силыгравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы.
В ходе теоретического исследования данной возможности, появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).
Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул»[4].
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году.[5] Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.