Počítačová technologie se vyvíjí extrémně rychle. Existují nová uspořádání a vývoj, které musí splňovat stále se zvyšující požadavky. Jednou z nejzajímavějších věcí je velmi velký integrovaný obvod. co to je Proč má takové jméno? Víme, jak VLSI znamená, ale jak to vypadá v praxi? Kde se používají?
Historie vývoje
Na počátku šedesátých let se objevily první polovodičové mikroobvody. Od té doby ušla mikroelektronika dlouhou cestu od jednoduchých logických prvků k nejsložitějším digitálním zařízením. Moderní složité a multifunkční počítače mohou pracovat na jediném polovodičovém monokrystalu, jehož plocha je jeden centimetr čtvereční.
Měl jsem je nějak mítklasifikovat a rozlišovat. Velmi velký integrovaný obvod (VLSI) je tak pojmenován, protože bylo potřeba označit mikroobvod, ve kterém stupeň integrace přesahuje 104 prvků na čip. Stalo se to koncem sedmdesátých let. Během několika let se ukázalo, že toto byl obecný směr pro mikroelektroniku.
Velmi velký integrovaný obvod se tak jmenuje, protože bylo nutné klasifikovat všechny úspěchy v této oblasti. Zpočátku byla mikroelektronika postavena na montážních operacích a zabývala se implementací komplexních funkcí kombinací mnoha prvků v jedné věci.
A co potom?
Zpočátku byla významná část nárůstu nákladů na vyráběné produkty právě v procesu montáže. Hlavními fázemi, kterými musel každý produkt projít, je návrh, implementace a ověření spojení mezi komponenty. Funkce, stejně jako rozměry v praxi implementovaných zařízení, jsou omezeny výhradně počtem použitých komponent, jejich spolehlivostí a fyzickými rozměry.
Pokud tedy říkají, že nějaký velmi velký integrovaný obvod váží více než 10 kg, je to docela možné. Jedinou otázkou je racionalita použití tak velkého bloku komponent.
Vývoj
Rád bych udělal ještě jednu malou odbočku. Historicky byly integrované obvody přitahovány svými malými rozměry a hmotností. I když postupně, s rozvojem, byly příležitosti ke stále bližšímuumístění prvků. A nejen to. To je třeba chápat nejen jako kompaktní umístění, ale také jako vylepšení ergonomických ukazatelů, zvýšení výkonu a úroveň provozní spolehlivosti.
Zvláštní pozornost by měla být věnována materiálovým a energetickým indikátorům, které přímo závisí na ploše použitého krystalu na komponentu. To do značné míry záviselo na použité látce. Zpočátku se germanium používalo pro polovodičové produkty. Postupem času byl ale nahrazen křemíkem, který má atraktivnější vlastnosti.
Co se nyní používá?
Víme tedy, že velmi velký integrovaný obvod se tak jmenuje, protože obsahuje mnoho součástek. Jaké technologie se v současnosti používají k jejich tvorbě? Nejčastěji se mluví o hluboké submikronové oblasti, která umožňuje dosáhnout efektivního využití součástek v 0,25-0,5 mikronu, a nanoelektronice, kde se prvky měří v nanometrech. Navíc se první postupně stává historií a ve druhém dochází k dalším a dalším objevům. Zde je krátký seznam vývoje, který se vytváří:
- Ultra velké křemíkové obvody. Mají minimální velikosti součástí v hluboké submikronové oblasti.
- Vysokorychlostní heteropřechodová zařízení a integrované obvody. Jsou postaveny na bázi křemíku, germania, arsenidu galia a řady dalších sloučenin.
- Technologie zařízení v nanoměřítku, z nichž nanolitografie by měla být zmíněna samostatně.
Sice jsou zde uvedeny malé velikosti, ale není třeba se mýlit, která z nich jekonečný ultra velký integrovaný obvod. Jeho celkové rozměry se mohou lišit v centimetrech, u některých konkrétních zařízení i v metrech. Mikrometry a nanometry jsou pouze velikosti jednotlivých prvků (např. tranzistorů) a jejich počet se může pohybovat v miliardách!
Navzdory takovému počtu se může stát, že ultravelký integrovaný obvod váží několik set gramů. I když je možné, že bude tak těžký, že ho sám nezvedne ani dospělý.
Jak vznikají?
Uvažujme o moderní technologii. K vytvoření ultračistých polovodičových monokrystalických materiálů a také technologických činidel (včetně kapalin a plynů) potřebujete:
- Zajistěte ultračisté pracovní podmínky v oblasti zpracování a přepravy plátků.
- Rozvinout technologické operace a vytvořit soubor zařízení, kde bude automatizované řízení procesů. To je nezbytné pro zajištění stanovené kvality zpracování a nízké úrovně kontaminace. I když bychom neměli zapomínat na vysoký výkon a spolehlivost vytvořených elektronických součástek.
Je to vtip, když vznikají prvky, jejichž velikost se počítá v nanometrech? Bohužel, pro člověka je nemožné provádět operace, které vyžadují fenomenální přesnost.
A co domácí výrobci?
PročJe ultra velký integrovaný obvod silně spojen se zahraničním vývojem? Na počátku 50. let minulého století zaujal SSSR druhé místo ve vývoji elektroniky. Nyní je ale pro domácí výrobce extrémně obtížné konkurovat zahraničním společnostem. I když to není úplně špatné.
Pokud jde o vytváření složitých vědecky náročných produktů, můžeme tedy s jistotou říci, že Ruská federace má nyní podmínky, personální a vědecký potenciál. Existuje poměrně málo podniků a institucí, které mohou vyvíjet různá elektronická zařízení. Pravda, to vše existuje v poměrně omezeném objemu.
Často se tedy stává, že se pro vývoj používají high-tech „suroviny“, jako jsou paměti VLSI, mikroprocesory a řadiče vyrobené v zahraničí. Ale zároveň jsou určité problémy zpracování signálu a výpočtů řešeny programově.
I když by se nemělo předpokládat, že můžeme výhradně nakupovat a sestavovat zařízení z různých komponentů. Existují také domácí verze procesorů, řadičů, ultravelkých integrovaných obvodů a dalšího vývoje. Ale bohužel nemohou konkurovat světovým lídrům, pokud jde o jejich účinnost, což ztěžuje jejich komerční implementaci. Ale jejich použití v domácích systémech, kde nepotřebujete mnoho energie nebo se musíte postarat o spolehlivost, je docela možné.
PLC pro programovatelnou logiku
Toto je samostatně přidělený slibný typ vývoje. Jsou mimo konkurenci v těch oblastech, kde potřebujete tvořitvysoce výkonná specializovaná zařízení zaměřená na hardwarovou implementaci. Díky tomu je vyřešen úkol paralelizace procesu zpracování a výkon se desetinásobně zvyšuje (ve srovnání se softwarovými řešeními).
Tyto ultra-velké integrované obvody mají v podstatě všestranné, konfigurovatelné převodníky funkcí, které uživatelům umožňují přizpůsobit propojení mezi nimi. A to vše na jednom krystalu. Výsledkem je kratší cyklus výstavby, ekonomický přínos pro malosériovou výrobu a možnost provádět změny v jakékoli fázi návrhu.
Vývoj ultravelkých integrovaných obvodů s programovatelnou logikou trvá několik měsíců. Poté jsou konfigurovány v nejkratším možném čase - a to vše při minimální úrovni nákladů. Existují různí výrobci, architektury a možnosti produktů, které vytvářejí, což výrazně zvyšuje schopnost dokončit úkoly.
Jak jsou klasifikovány?
Obvykle se k tomu používá:
- Logická kapacita (stupeň integrace).
- Organizace vnitřní struktury.
- Typ použité programovatelné položky.
- Architektura převodníku funkcí.
- Přítomnost/nepřítomnost vnitřní paměti RAM.
Každá položka si zaslouží pozornost. Ale bohužel, velikost článku je omezená, takže budeme zvažovat pouze nejdůležitější složku.
Co jelogická kapacita?
Toto je nejdůležitější funkce pro velmi rozsáhlé integrované obvody. Počet tranzistorů v nich může být v miliardách. Ale zároveň se jejich velikost rovná mizernému zlomku mikrometru. Ale kvůli redundanci struktur se logická kapacita měří v počtu bran, které jsou potřeba k implementaci zařízení.
K jejich označení se používají ukazatele stovek tisíc a milionů jednotek. Čím vyšší je hodnota logické kapacity, tím více příležitostí nám může ultra-velký integrovaný obvod nabídnout.
O sledovaných cílech
VLSI byl původně vytvořen pro stroje páté generace. Při jejich výrobě se řídili streamovací architekturou a implementací inteligentního rozhraní člověk-stroj, které poskytne nejen systematické řešení problémů, ale také poskytne Máši možnost logicky myslet, samoučit se a logicky kreslit závěry.
Předpokládalo se, že komunikace bude probíhat v přirozeném jazyce pomocí řečové formy. No, tak či onak to bylo implementováno. Do plnohodnotného bezproblémového vytváření ideálních ultravelkých integrovaných obvodů má ale stále daleko. Ale my, lidstvo, jdeme sebevědomě vpřed. Automatizace návrhu VLSI v tom hraje velkou roli.
Jak již bylo zmíněno, vyžaduje to hodně lidských a časových zdrojů. Z důvodu úspory peněz je proto automatizace široce používána. Přece když je potřeba navazovat spojení mezi miliardamikomponenty, stráví na něm roky i tým několika desítek lidí. Zatímco automatizace to dokáže během několika hodin, pokud je stanoven správný algoritmus.
Další redukce se nyní zdá problematická, protože se již blížíme k limitu tranzistorové technologie. Již nyní jsou nejmenší tranzistory velké jen několik desítek nanometrů. Pokud je zmenšíme o několik setkrát, pak prostě narazíme na rozměry atomu. To je nepochybně dobře, ale jak se posunout dále ve zvyšování efektivity elektroniky? Chcete-li to provést, musíte přejít na novou úroveň. Například k vytvoření kvantových počítačů.
Závěr
Ultravelké integrované obvody měly významný dopad na rozvoj lidstva a možnosti, které máme. Je ale pravděpodobné, že brzy zastarají a nahradí je něco úplně jiného.
Vždyť už se bohužel blížíme k hranici možností a lidstvo není zvyklé stát na místě. Je tedy pravděpodobné, že se ultravelkým integrovaným obvodům dostane patřičné pocty, načež budou nahrazeny pokročilejšími konstrukcemi. Ale zatím všichni používáme VLSI jako vrchol stávající tvorby.
