 |
ULSI, WSI, SOC. Other developments
|
|
|
|
VLSI
The final step in the development process, starting in the 1980s and continuing on, was " Very Large-Scale Integration" (VLSI), with hundreds of thousands of transistors, and beyond (well past several million in the latest stages).
For the first time it became possible to fabricate a CPU (central processing unit) on a single integrated circuit, to create a microprocessor. In 1986, the first one megabit Random Access Memory (RAM) chips were introduced, which contained more than one million transistors. Microprocessor chips produced in 1994 contained more than three million transistors.
ULSI, WSI, SOC
To reflect further growth of the complexity, the term ULSI that stands for " Ultra-Large Scale Integration " was proposed for chips of complexity more than 1 million of transistors. However there is no qualitative leap between VLSI and ULSI, hence normally in technical texts the " VLSI" term covers ULSI as well, and " ULSI" is reserved only for cases when it is necessary to emphasize the chip complexity, e. g. in marketing.
The most extreme integration technique is wafer-scale integration ( WSI ), which uses whole uncut wafers containing entire computers (processors as well as memory). Attempts to take this step commercially in the 1980s (for instance, by Gene Amdahl) failed, mostly because of defect-free manufacturability problems, and it does not now seem to be a high priority for industry.
The WSI technique failed commercially, but advances in semiconductor manufacturing allowed for another attack on IC complexity, known as System-on-Chip ( SOC ) design. In this approach, components traditionally manufactured as separate chips to be wired together on a printed circuit board are designed to occupy a single chip that contains memory, microprocessor(s), peripheral interfaces, Input/Output logic control, data converters, and other components, together composing the whole electronic system.
Other developments
In the 1980s programmable integrated circuits were developed. These devices contain circuits whose logical function and connectivity can be programmed by the user, rather than being fixed by the integrated circuit manufacturer. This allows a single chip to be programmed to implement different LSI-type functions such as logic gates, adders, and registers. Current devices named FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) can now implement tens of thousands of LSI circuits in parallel and operate up to 400 MHz.
6) Render the text in English and translate the marked sentences from Russian into English.
С физикой — от счетов к современным компьютерам.
Владимир Клиньшов
|
|
|
По сути, вся история ЭВМ определяется серией замечательных физических открытий в области электроники. Строго говоря, вычислительные машины существовали и до XX века. Это были механические устройства с очень ограниченными возможностями. История же собственно электронных вычислительных машин начинается в двадцатом веке и связана с изобретением в 1906 году американским инженером Ли де Форестом вакуумного триода. На основе триодов были созданы ЭВМ так называемого первого поколения, начинающего свою историю в 40-е годы. Это поколение компьютеров-монстров, занимавших по своим размерам целые комнаты и потреблявших мощности, достаточные для работы небольшого завода. Однако, несмотря на такую громоздкость, производительность этих машин была весьма скромной.
Качественное изменение ЭВМ произошло после еще одного эпохального открытия физики — изобретения в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли биполярного транзистора. Применение полупроводниковых транзисторов вместо вакуумных ламп (триодов) позволило существенно уменьшить размеры и энергопотребление машин второго поколения и повысить их быстродействие и надежность. Дальнейшее развитие компьютеров связано с использованием интегральных схем, впервые изготовленных в 1959 году американцем Робертом Нойсом. Интегральная схема — это множество, от десятков до миллионов, транзисторов, размещенных на одном кристалле полупроводника. Использование интегральных схем (компьютеры третьего поколения), больших и сверхбольших интегральных схем (четвертое поколение) привело к значительному упрощению процесса изготовления ЭВМ и увеличению их быстродействия. В 80-е годы началось изготовление персональных компьютеров, которые постепенно приобрели современный вид. Примерно тогда же появились первые мобильные компьютеры, или ноутбуки. Огромной производительности достигли многопроцессорные вычислительные комплексы — так называемые суперкомпьютеры. Почему же именно изобретение триода и транзистора определило весь путь развития компьютеров? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить об основных принципах работы компьютера. Сердце современного компьютера — это его центральный процессор. Основная функция процессора — обработка информации, т. е. выполнение различных операций над данными. А так как данные в современных ЭВМ представляются в двоичном виде, то и операции с ними производятся на основе двоичной логики, или так называемой булевой алгебры.
|
|
|
Булева алгебра (названа в честь английского математика XIX века Джорджа Буля) рассматривает величины, принимающие только два значения — 0 или 1. Значение булевой величины можно представлять как ложность или истинность какого-либо утверждения (0 — ложь, 1 — истина). Поэтому с такими величинами можно производить различные операции. Основные операции — это И, ИЛИ, НЕ. Выполнение логических операций можно сравнить с физической моделью «водопровода». Представим утверждения, над которыми производятся операции, в виде вентилей на трубах (открытый вентиль — утверждение истинно, закрытый — ложно). Результат операции представим в виде крана, из которого вода может либо течь (истина), либо не течь (ложь). Можно ли перенести те же системы из области гидродинамики в область электроники, то есть создать электронные логические схемы? Ясно, что для этого понадобятся устройства, подобные вентилям на трубах, которые в зависимости от установленного положения либо пропускают воду по трубе, либо нет. «Электронные вентили» должны обладать подобными свойствами, т. е. регулируемой проводимостью электрического тока. Оказывается, именно триод и транзистор могут выполнять функции вентиля в электрической схеме. Чтобы понять, как это возможно, надо разобраться в физических принципах работы триода и транзистора.
Конструктивно триод состоит из трех металлических электродов — катода, анода и сетки, помещенных в корпус с откачанным воздухом. Через дополнительную цепь катод нагревается электрическим током до высоких температур, так что с его поверхности начинается эмиссия электронов. Обычно электрический потенциал анода относительно катода положителен, а режим работы триода определяется потенциалом сетки.
|
|
|
Когда на сетку подается положительный потенциал (меньший потенциала на аноде), электрическое поле разгоняет электроны в направлении сетки. Поверхность сетки делается не сплошной, а состоит из отдельных тонких проводов, образующих решетку. Из-за этого электроны почти не попадают на сетку, а пролетают сквозь нее на анод, создавая ток в анодной цепи. Если же потенциал сетки отрицателен, электрическое поле препятствует движению электронов, возвращая их на катод, и ток в цепи не течет. Таким образом, в электровакуумном триоде можно эффективно управлять током в цепи анода, меняя напряжение на сетке, причем проводимость триода может меняться от полностью закрытого состояния до полностью открытого. Но ведь именно этими свойствами и должен обладать вентиль! И именно в качестве «электронных вентилей» использовались триоды в первых электронно-вычислительных машинах.
Зная об устройстве электровакуумных ламп, можно понять, с чем связаны их недостатки. Во-первых, это большие размеры и сложность изготовления, обусловленные необходимостью размещения электродов в вакуумном корпусе. Во-вторых, инерционность приборов, которая вызвана большим временем пролета электронами расстояния от катода до анода. В-третьих, большая потребляемая мощность. Избежать всех этих недостатков позволяют полупроводниковые транзисторы, которые с момента своего изобретения стали активно вытеснять лампы. Рассмотрим устройство транзистора в том виде, в каком он был предложен впервые, — в виде биполярного транзистора.
Отличительным свойством полупроводниковых кристаллов является наличие в них свободных носителей зарядов обоих знаков. Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. При переходе на такое вакантное место электрона из оболочки соседнего атома дырка перемещается к этому атому и таким образом может двигаться по всему кристаллу. Поэтому можно рассматривать дырку как положительно заряженную свободную частицу.
|
|
|
Биполярный транзистор — это полупроводниковый кристалл, разделенный на три части, которые называются эмиттером, базой и коллектором. За счет введения в эти области различных примесей соотношение свободных дырок и электронов в них различно. Так, в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем электронов (говорят, что эти области обладают проводимостью p-типа). В базе же, наоборот, больше электронов (проводимость n-типа).
Варьируя напряжение между базой и эмиттером, можно изменять значение коллекторного тока от максимального до почти нулевого, то есть «открывать» и «закрывать» транзистор. Это значит, что транзистор, как и вакуумный триод, может выполнять функцию «электронного вентиля». С помощью современных технологий изготовить транзистор гораздо проще, чем триод. Его можно сделать очень маленьким, а значит, быстрым в работе и потребляющим малую мощность. Из-за этих преимуществ современные компьютеры производятся на транзисторах, а не на лампах. Изобретение интегральных микросхем, способных объединить на одном кристалле миллионы транзисторов, прочно закрепило их преимущество перед лампами.
7) Watch the film about integrated circuits and answer the questions (Integrated Circuits & Moore’s Law: Crash Course Computer Science #17: https: //www. youtube. com/watch? v=6-tKOHICqrI)
1. What were the main components and construction features of computers from the 1940s to the mid-1960s?
2. How many electronic elements did the ENIAC consist of?
3. What kind of problems appeared with the increase in the number of discrete components?
4. How did IBM upgrade their computers in 1959? How much better was the IBM 7090?
5. What were Jack Kilby’s and Robert Noyce’s revolutionary contributions to electronics?
6. What is Fairchild?
7. What kind of innovation did engineers introduce to get rid of extremely complex soldering of wires in ICs? How are wires incorporated into the circuit now and what advantages does it give?
8. What fabrication process started to be used to achieve a more complex design?
9. What steps (layers and processes) are applied in the creation of a bipolar junction transistor? What allows to create incredibly fine details in the process? What is finally done with a whole wafer full?
10. What benefits do smaller transistors and higher densities have?
11. How was the company Intel founded?
12. What is CPU? When was the first one created and how many components did it contain? (-in 2010; A10 CPU in iPhone7)
13. How are chip designs engineered nowadays and what are the restrictions of producing smaller and smaller features?
|
|
|
