Technologia komputerowa rozwija się niezwykle szybko. Pojawiają się nowe układy i rozwiązania, które muszą spełniać stale rosnące wymagania. Jedną z ciekawszych rzeczy jest bardzo duży układ scalony. Co to jest? Dlaczego ma takie imię? Wiemy, co oznacza VLSI, ale jak to wygląda w praktyce? Gdzie są używane?
Historia rozwoju
Na początku lat sześćdziesiątych pojawiły się pierwsze mikroukłady półprzewodnikowe. Od tego czasu mikroelektronika przeszła długą drogę od prostych elementów logicznych do najbardziej złożonych urządzeń cyfrowych. Nowoczesne złożone i wielofunkcyjne komputery mogą pracować na pojedynczym półprzewodnikowym monokrysztale o powierzchni jednego centymetra kwadratowego.
Powinienem je mieć jakośklasyfikować i rozróżniać. Bardzo duży układ scalony (VLSI) został tak nazwany, ponieważ istniała potrzeba wyznaczenia mikroukładu, w którym stopień integracji przekroczył 104 elementy na chip. Stało się to pod koniec lat siedemdziesiątych. W ciągu kilku lat stało się jasne, że jest to ogólny kierunek rozwoju mikroelektroniki.
Tak więc bardzo duży układ scalony został tak nazwany, ponieważ konieczne było sklasyfikowanie wszystkich osiągnięć w tej dziedzinie. Początkowo mikroelektronika opierała się na operacjach montażowych i zajmowała się realizacją złożonych funkcji, łącząc wiele elementów w jedną rzecz.
A co potem?
Początkowo znaczna część wzrostu kosztów wytwarzanych produktów miała miejsce właśnie w procesie montażu. Główne etapy, przez które musiał przejść każdy produkt, to zaprojektowanie, wykonanie i weryfikacja połączeń między komponentami. Funkcje, a także gabaryty urządzeń, które zostały zaimplementowane w praktyce, ograniczone są wyłącznie ilością zastosowanych podzespołów, ich niezawodnością oraz wymiarami fizycznymi.
Więc jeśli mówią, że jakiś bardzo duży układ scalony waży więcej niż 10 kg, jest to całkiem możliwe. Jedyne pytanie to racjonalność wykorzystania tak dużego bloku komponentów.
Rozwój
Chciałbym zrobić jeszcze jedną małą dygresję. Historycznie układy scalone przyciągały swoim niewielkim rozmiarem i wagą. Chociaż stopniowo, wraz z rozwojem pojawiały się możliwości coraz bliżejrozmieszczenie elementów. I nie tylko. Należy to rozumieć nie tylko jako kompaktowe rozmieszczenie, ale także jako poprawę wskaźników ergonomicznych, wzrost wydajności i poziomu niezawodności działania.
Szczególną uwagę należy zwrócić na wskaźniki materiałowe i energetyczne, które bezpośrednio zależą od powierzchni użytego kryształu na składnik. Zależało to w dużej mierze od użytej substancji. Początkowo w produktach półprzewodnikowych stosowano german. Ale z czasem został wyparty przez krzem, który ma bardziej atrakcyjne właściwości.
Co jest teraz używane?
Wiemy więc, że bardzo duży układ scalony jest tak nazwany, ponieważ zawiera wiele elementów. Jakie technologie są obecnie wykorzystywane do ich tworzenia? Najczęściej mówi się o głębokim regionie submikronowym, który umożliwia osiągnięcie efektywnego wykorzystania komponentów w zakresie 0,25-0,5 mikrona oraz nanoelektronice, gdzie pierwiastki mierzone są w nanometrach. Co więcej, pierwszy stopniowo przechodzi w historię, w drugim dokonuje się coraz więcej odkryć. Oto krótka lista zmian, które są tworzone:
- Bardzo duże obwody krzemowe. Mają minimalne rozmiary komponentów w głębokim regionie submikronowym.
- Szybkie urządzenia heterozłączowe i układy scalone. Zbudowane są na bazie krzemu, germanu, arsenku galu, a także szeregu innych związków.
- Technologia urządzeń w nanoskali, z której osobno należy wspomnieć o nanolitografii.
Chociaż są tutaj wskazane małe rozmiary, ale nie ma potrzeby mylić się z tym, który z nich jestsuper duży układ scalony. Jego gabaryty mogą się różnić w centymetrach, a w niektórych konkretnych urządzeniach nawet w metrach. Mikrometry i nanometry to tylko wielkość pojedynczych elementów (takich jak tranzystory), a ich liczba może sięgać miliardów!
Pomimo takiej liczby może się okazać, że układ scalony o bardzo dużej skali waży kilkaset gramów. Chociaż możliwe, że będzie tak ciężki, że nawet osoba dorosła nie może jej samodzielnie podnieść.
Jak powstają?
Rozważmy nowoczesną technologię. Tak więc, aby stworzyć ultraczyste półprzewodnikowe materiały monokrystaliczne, a także odczynniki technologiczne (w tym ciecze i gazy), potrzebujesz:
- Zapewnij ultra czyste warunki pracy w obszarze przetwarzania i transportu wafli.
- Opracuj operacje technologiczne i stwórz zestaw urządzeń, w których nastąpi zautomatyzowana kontrola procesu. Jest to konieczne, aby zapewnić określoną jakość przetwarzania i niski poziom zanieczyszczenia. Chociaż nie powinniśmy zapominać o wysokiej wydajności i niezawodności tworzonych elementów elektronicznych.
Czy to żart, kiedy tworzone są elementy, których wielkość liczona jest w nanometrach? Niestety, niemożliwe jest, aby osoba wykonywała operacje wymagające fenomenalnej dokładności.
A co z krajowymi producentami?
DlaczegoCzy ultra-duży układ scalony jest mocno kojarzony z zagranicznymi osiągnięciami? Na początku lat 50. ubiegłego wieku ZSRR zajął drugie miejsce w rozwoju elektroniki. Ale teraz krajowym producentom jest niezwykle trudno konkurować z firmami zagranicznymi. Nie jest jednak tak źle.
Tak więc, jeśli chodzi o tworzenie złożonych produktów wymagających intensywnej nauki, możemy śmiało powiedzieć, że Federacja Rosyjska ma teraz warunki, personel i potencjał naukowy. Istnieje wiele przedsiębiorstw i instytucji, które mogą rozwijać różne urządzenia elektroniczne. To prawda, wszystko to istnieje w dość ograniczonej ilości.
Tak więc często dzieje się tak, gdy do rozwoju wykorzystywane są zaawansowane technologicznie „surowce”, takie jak pamięć VLSI, mikroprocesory i kontrolery wyprodukowane za granicą. Ale jednocześnie niektóre problemy przetwarzania sygnałów i obliczeń są rozwiązywane programowo.
Chociaż nie należy zakładać, że możemy kupować i montować wyłącznie sprzęt z różnych komponentów. Istnieją również krajowe wersje procesorów, kontrolerów, układów scalonych o bardzo dużej skali i innych rozwiązań. Niestety, nie mogą konkurować z liderami świata pod względem skuteczności, co utrudnia ich komercyjną realizację. Jednak zastosowanie ich w domowych systemach, w których nie potrzebujesz dużej mocy lub musisz zadbać o niezawodność, jest całkiem możliwe.
Sterowniki PLC dla logiki programowalnej
Jest to oddzielny, obiecujący rodzaj rozwoju. Są poza konkurencją w tych obszarach, w których musisz tworzyćwysokowydajne specjalistyczne urządzenia nastawione na implementację sprzętową. Dzięki temu zadanie zrównoleglenia procesu przetwarzania zostaje rozwiązane, a wydajność wzrasta dziesięciokrotnie (w porównaniu z rozwiązaniami programowymi).
Zasadniczo te układy scalone o bardzo dużej skali mają wszechstronne, konfigurowalne konwertery funkcji, które pozwalają użytkownikom dostosować połączenia między nimi. I to wszystko na jednym krysztale. Rezultatem jest krótszy cykl budowy, korzyść ekonomiczna w przypadku produkcji na małą skalę oraz możliwość wprowadzania zmian na dowolnym etapie projektowania.
Opracowanie bardzo dużych układów scalonych z programowalną logiką trwa kilka miesięcy. Następnie są konfigurowane w możliwie najkrótszym czasie - a to wszystko przy minimalnym poziomie kosztów. Istnieją różni producenci, architektury i możliwości tworzonych przez nich produktów, co znacznie zwiększa możliwości realizacji zadań.
Jak są klasyfikowane?
Zazwyczaj używane do tego:
- Pojemność logiczna (stopień integracji).
- Organizacja struktury wewnętrznej.
- Typ używanego elementu programowalnego.
- Architektura konwertera funkcji.
- Obecność/brak wewnętrznej pamięci RAM.
Każdy przedmiot zasługuje na uwagę. Niestety, rozmiar artykułu jest ograniczony, więc rozważymy tylko najważniejszy element.
Co to jestpojemność logiczna?
Jest to najważniejsza cecha układów scalonych o bardzo dużej skali. Liczba tranzystorów w nich może wynosić miliardy. Ale jednocześnie ich rozmiar jest równy żałosnemu ułamkowi mikrometra. Jednak ze względu na nadmiarowość struktur pojemność logiczna jest mierzona liczbą bramek potrzebnych do wdrożenia urządzenia.
Do ich wyznaczenia używane są wskaźniki setek tysięcy i milionów jednostek. Im wyższa wartość pojemności logicznej, tym więcej możliwości oferuje nam układ scalony o bardzo dużej skali.
O realizowanych celach
VLSI został pierwotnie stworzony dla maszyn piątej generacji. W ich produkcji kierowali się architekturą streamingu i wdrożeniem inteligentnego interfejsu człowiek-maszyna, który nie tylko zapewni systematyczne rozwiązywanie problemów, ale także da Maszy możliwość logicznego myślenia, samodzielnej nauki i rysowania logicznego. wnioski.
Założono, że komunikacja będzie prowadzona w języku naturalnym przy użyciu formy mowy. Cóż, w taki czy inny sposób został zaimplementowany. Ale wciąż daleko mu do pełnoprawnego, bezproblemowego tworzenia idealnych ultra-dużych układów scalonych. Ale my, ludzkość, idziemy naprzód z ufnością. Automatyzacja projektowania VLSI odgrywa w tym dużą rolę.
Jak wspomniano wcześniej, wymaga to dużej ilości zasobów ludzkich i czasowych. Dlatego, aby zaoszczędzić pieniądze, szeroko stosuje się automatyzację. W końcu, kiedy trzeba nawiązać połączenia między miliardamikomponentów, spędzi na nim nawet kilkudziesięcioosobowy zespół. Natomiast automatyzacja może to zrobić w ciągu kilku godzin, jeśli zostanie ułożony właściwy algorytm.
Dalsza redukcja wydaje się teraz problematyczna, ponieważ zbliżamy się już do granicy technologii tranzystorowej. Już teraz najmniejsze tranzystory mają tylko kilkadziesiąt nanometrów. Jeśli zmniejszymy je kilkaset razy, to po prostu wpadniemy w wymiary atomu. Niewątpliwie to dobrze, ale jak iść naprzód w zakresie zwiększania wydajności elektroniki? Aby to zrobić, musisz przejść na nowy poziom. Na przykład do tworzenia komputerów kwantowych.
Wniosek
Układy scalone o bardzo dużej skali miały znaczący wpływ na rozwój ludzkości i możliwości, jakie posiadamy. Ale jest prawdopodobne, że wkrótce staną się przestarzałe i zastąpi je coś zupełnie innego.
W końcu niestety już zbliżamy się do granicy możliwości, a ludzkość nie jest przyzwyczajona do stania w miejscu. Jest więc prawdopodobne, że ultra-duże układy scalone otrzymają należne zaszczyty, po których zostaną zastąpione bardziej zaawansowanymi konstrukcjami. Ale na razie wszyscy używamy VLSI jako szczytu istniejącego stworzenia.
