Η τεχνολογία των υπολογιστών αναπτύσσεται εξαιρετικά γρήγορα. Υπάρχουν νέες διατάξεις και εξελίξεις που πρέπει να ανταποκρίνονται στις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις. Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πράγματα είναι το πολύ μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Τι είναι? Γιατί έχει τέτοιο όνομα; Γνωρίζουμε πώς σημαίνει το VLSI, αλλά πώς φαίνεται στην πράξη; Πού χρησιμοποιούνται;
Ιστορικό ανάπτυξης
Στις αρχές της δεκαετίας του εξήντα, εμφανίστηκαν τα πρώτα μικροκυκλώματα ημιαγωγών. Έκτοτε, η μικροηλεκτρονική έχει διανύσει πολύ δρόμο από τα απλά λογικά στοιχεία έως τις πιο πολύπλοκες ψηφιακές συσκευές. Οι σύγχρονοι πολύπλοκοι και πολυλειτουργικοί υπολογιστές μπορούν να λειτουργούν σε έναν μόνο ημιαγωγό, το εμβαδόν του οποίου είναι ένα τετραγωνικό εκατοστό.
Έπρεπε να τα είχα με κάποιο τρόποταξινομούν και διακρίνουν. Το πολύ μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα (VLSI) ονομάζεται έτσι επειδή υπήρχε ανάγκη να οριστεί ένα μικροκύκλωμα, στο οποίο ο βαθμός ολοκλήρωσης ξεπερνούσε τα 104 στοιχεία ανά τσιπ. Συνέβη στα τέλη της δεκαετίας του εβδομήντα. Μέσα σε λίγα χρόνια, έγινε σαφές ότι αυτή ήταν η γενική κατεύθυνση για τη μικροηλεκτρονική.
Έτσι, το πολύ μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα ονομάζεται έτσι επειδή ήταν απαραίτητο να ταξινομηθούν όλα τα επιτεύγματα σε αυτόν τον τομέα. Αρχικά, η μικροηλεκτρονική χτίστηκε σε λειτουργίες συναρμολόγησης και ασχολήθηκε με την υλοποίηση πολύπλοκων λειτουργιών συνδυάζοντας πολλά στοιχεία σε ένα πράγμα.
Και μετά τι;
Αρχικά, σημαντικό μέρος της αύξησης του κόστους των βιομηχανικών προϊόντων αφορούσε ακριβώς τη διαδικασία συναρμολόγησης. Τα κύρια στάδια που έπρεπε να περάσει κάθε προϊόν είναι ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και η επαλήθευση των συνδέσεων μεταξύ των εξαρτημάτων. Οι λειτουργίες, καθώς και οι διαστάσεις των συσκευών που έχουν εφαρμοστεί στην πράξη, περιορίζονται αποκλειστικά από τον αριθμό των εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται, την αξιοπιστία και τις φυσικές τους διαστάσεις.
Αν λένε λοιπόν ότι κάποιο πολύ μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα ζυγίζει περισσότερο από 10 κιλά, είναι πολύ πιθανό. Το μόνο ερώτημα είναι ο ορθολογισμός της χρήσης ενός τόσο μεγάλου μπλοκ εξαρτημάτων.
Ανάπτυξη
Θα ήθελα να κάνω μια ακόμη μικρή παρέκβαση. Ιστορικά, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα προσελκύονται από το μικρό τους μέγεθος και βάρος. Αν και σταδιακά, με την ανάπτυξη, υπήρχαν ευκαιρίες για όλο και πιο κοντάτοποθέτηση στοιχείων. Και όχι μόνο. Αυτό θα πρέπει να γίνει κατανοητό όχι μόνο ως συμπαγής τοποθέτηση, αλλά και ως βελτίωση των εργονομικών δεικτών, αύξηση της απόδοσης και ως επίπεδο λειτουργικής αξιοπιστίας.
Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στους δείκτες υλικού και ενέργειας, οι οποίοι εξαρτώνται άμεσα από την περιοχή του κρυστάλλου που χρησιμοποιείται ανά συστατικό. Αυτό εξαρτιόταν σε μεγάλο βαθμό από τη χρησιμοποιούμενη ουσία. Αρχικά, το γερμάνιο χρησιμοποιήθηκε για προϊόντα ημιαγωγών. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, αντικαταστάθηκε από πυρίτιο, το οποίο έχει πιο ελκυστικά χαρακτηριστικά.
Τι χρησιμοποιείται τώρα;
Γνωρίζουμε λοιπόν ότι το πολύ μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα ονομάζεται έτσι επειδή περιέχει πολλά εξαρτήματα. Ποιες τεχνολογίες χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για τη δημιουργία τους; Τις περισσότερες φορές μιλούν για την περιοχή βαθέων υπομικρών, η οποία καθιστά δυνατή την αποτελεσματική χρήση εξαρτημάτων σε 0,25-0,5 μικρά, και τη νανοηλεκτρονική, όπου τα στοιχεία μετρώνται σε νανόμετρα. Επιπλέον, το πρώτο γίνεται σταδιακά ιστορία και στο δεύτερο γίνονται όλο και περισσότερες ανακαλύψεις. Ακολουθεί μια σύντομη λίστα με τις εξελίξεις που δημιουργούνται:
- Υπερμεγάλα κυκλώματα πυριτίου. Έχουν ελάχιστα μεγέθη συστατικών στην περιοχή βαθέων υπομικρών.
- Συσκευές ετεροζεύξης υψηλής ταχύτητας και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Είναι κατασκευασμένα με βάση το πυρίτιο, το γερμάνιο, το αρσενίδιο του γαλλίου, καθώς και μια σειρά από άλλες ενώσεις.
- Τεχνολογία συσκευών νανοκλίμακας, εκ των οποίων θα πρέπει να αναφέρεται χωριστά η νανολιθογραφία.
Αν και τα μικρά μεγέθη υποδεικνύονται εδώ, αλλά δεν χρειάζεται να κάνουμε λάθος σχετικά με το ποιο είναιαπόλυτο εξαιρετικά μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Οι συνολικές του διαστάσεις μπορεί να ποικίλλουν σε εκατοστά, και σε ορισμένες συγκεκριμένες συσκευές ακόμη και μέτρα. Τα μικρόμετρα και τα νανόμετρα έχουν μόνο το μέγεθος μεμονωμένων στοιχείων (όπως τα τρανζίστορ) και ο αριθμός τους μπορεί να είναι σε δισεκατομμύρια!
Παρά έναν τέτοιο αριθμό, μπορεί ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας να ζυγίζει αρκετές εκατοντάδες γραμμάρια. Αν και είναι πιθανό να είναι τόσο βαρύ που ακόμη και ένας ενήλικας δεν μπορεί να το σηκώσει μόνος του.
Πώς δημιουργούνται;
Ας εξετάσουμε τη σύγχρονη τεχνολογία. Έτσι, για να δημιουργήσετε εξαιρετικά καθαρά ημιαγωγικά μονοκρυσταλλικά υλικά, καθώς και τεχνολογικά αντιδραστήρια (συμπεριλαμβανομένων υγρών και αερίων), χρειάζεστε:
- Εξασφαλίστε εξαιρετικά καθαρές συνθήκες εργασίας στον χώρο επεξεργασίας και μεταφοράς γκοφρέτας.
- Ανάπτυξη τεχνολογικών λειτουργιών και δημιουργία ενός συνόλου εξοπλισμού, όπου θα υπάρχει αυτοματοποιημένος έλεγχος διεργασιών. Αυτό είναι απαραίτητο για να διασφαλιστεί η καθορισμένη ποιότητα επεξεργασίας και τα χαμηλά επίπεδα μόλυνσης. Αν και δεν πρέπει να ξεχνάμε την υψηλή απόδοση και αξιοπιστία των δημιουργημένων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
Είναι αστείο όταν δημιουργούνται στοιχεία, το μέγεθος των οποίων υπολογίζεται σε νανόμετρα; Δυστυχώς, είναι αδύνατο για ένα άτομο να εκτελέσει λειτουργίες που απαιτούν εκπληκτική ακρίβεια.
Τι γίνεται με τους εγχώριους παραγωγούς;
ΓιατίΤο υπερμεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα συνδέεται έντονα με ξένες εξελίξεις; Στις αρχές της δεκαετίας του '50 του περασμένου αιώνα, η ΕΣΣΔ κατέλαβε τη δεύτερη θέση στην ανάπτυξη των ηλεκτρονικών. Τώρα όμως είναι εξαιρετικά δύσκολο για τους εγχώριους παραγωγούς να ανταγωνιστούν ξένες εταιρείες. Δεν είναι όλα άσχημα όμως.
Έτσι, όσον αφορά τη δημιουργία σύνθετων προϊόντων έντασης επιστήμης, μπορούμε με βεβαιότητα να πούμε ότι η Ρωσική Ομοσπονδία έχει πλέον τις προϋποθέσεις, το προσωπικό και το επιστημονικό δυναμικό. Υπάρχουν αρκετές επιχειρήσεις και ιδρύματα που μπορούν να αναπτύξουν διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές. Είναι αλήθεια ότι όλα αυτά υπάρχουν σε έναν μάλλον περιορισμένο τόμο.
Έτσι, συμβαίνει συχνά όταν χρησιμοποιούνται «πρώτες ύλες» υψηλής τεχνολογίας για ανάπτυξη, όπως μνήμη VLSI, μικροεπεξεργαστές και ελεγκτές που κατασκευάστηκαν στο εξωτερικό. Αλλά ταυτόχρονα, ορισμένα προβλήματα επεξεργασίας σήματος και υπολογισμών επιλύονται προγραμματικά.
Αν και δεν πρέπει να υποθέσουμε ότι μπορούμε να αγοράσουμε και να συναρμολογήσουμε αποκλειστικά εξοπλισμό από διάφορα εξαρτήματα. Υπάρχουν επίσης εγχώριες εκδόσεις επεξεργαστών, ελεγκτών, ολοκληρωμένων κυκλωμάτων εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας και άλλες εξελίξεις. Όμως, δυστυχώς, δεν μπορούν να ανταγωνιστούν τους ηγέτες του κόσμου ως προς την αποτελεσματικότητά τους, γεγονός που δυσχεραίνει την εμπορική τους εφαρμογή. Αλλά η χρήση τους σε οικιακά συστήματα όπου δεν χρειάζεστε πολλή ισχύ ή πρέπει να φροντίσετε την αξιοπιστία είναι αρκετά δυνατή.
PLC για προγραμματιζόμενη λογική
Αυτός είναι ένας πολλά υποσχόμενος τύπος ανάπτυξης χωριστά. Είναι εκτός ανταγωνισμού σε εκείνους τους τομείς όπου πρέπει να δημιουργήσετεεξειδικευμένες συσκευές υψηλής απόδοσης που επικεντρώνονται στην υλοποίηση υλικού. Χάρη σε αυτό, το έργο του παραλληλισμού της διαδικασίας επεξεργασίας επιλύεται και η απόδοση αυξάνεται δεκαπλασιασμένα (σε σύγκριση με λύσεις λογισμικού).
Ουσιαστικά, αυτά τα εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας ολοκληρωμένα κυκλώματα διαθέτουν ευέλικτους, διαμορφώσιμους μετατροπείς λειτουργιών που επιτρέπουν στους χρήστες να προσαρμόζουν τις μεταξύ τους συνδέσεις. Και είναι όλα σε ένα κρύσταλλο. Το αποτέλεσμα είναι ένας συντομότερος κύκλος κατασκευής, ένα οικονομικό όφελος για παραγωγή μικρής κλίμακας και η δυνατότητα να κάνετε αλλαγές σε οποιοδήποτε στάδιο του σχεδιασμού.
Η ανάπτυξη προγραμματιζόμενων λογικών εξαιρετικά μεγάλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων διαρκεί αρκετούς μήνες. Μετά από αυτό, διαμορφώνονται στο συντομότερο δυνατό χρονικό διάστημα - και όλα αυτά σε ένα ελάχιστο επίπεδο κόστους. Υπάρχουν διαφορετικοί κατασκευαστές, αρχιτεκτονικές και δυνατότητες των προϊόντων που δημιουργούν, γεγονός που αυξάνει σημαντικά την ικανότητα ολοκλήρωσης εργασιών.
Πώς ταξινομούνται;
Συνήθως χρησιμοποιείται για αυτό:
- Λογική χωρητικότητα (βαθμός ολοκλήρωσης).
- Οργάνωση της εσωτερικής δομής.
- Είδος προγραμματιζόμενου στοιχείου που χρησιμοποιείται.
- Αρχιτεκτονική μετατροπέα συναρτήσεων.
- Παρουσία/απουσία εσωτερικής μνήμης RAM.
Κάθε στοιχείο αξίζει προσοχή. Αλλά δυστυχώς, το μέγεθος του άρθρου είναι περιορισμένο, επομένως θα εξετάσουμε μόνο το πιο σημαντικό στοιχείο.
Τι είναιλογική χωρητικότητα;
Αυτό είναι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό για ολοκληρωμένα κυκλώματα πολύ μεγάλης κλίμακας. Ο αριθμός των τρανζίστορ σε αυτά μπορεί να είναι σε δισεκατομμύρια. Αλλά ταυτόχρονα, το μέγεθός τους είναι ίσο με ένα άθλιο κλάσμα του μικρομέτρου. Αλλά λόγω του πλεονασμού των δομών, η λογική χωρητικότητα μετριέται στον αριθμό των πυλών που απαιτούνται για την υλοποίηση της συσκευής.
Για τον χαρακτηρισμό τους, χρησιμοποιούνται δείκτες εκατοντάδων χιλιάδων και εκατομμυρίων μονάδων. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της λογικής χωρητικότητας, τόσο περισσότερες ευκαιρίες μπορεί να μας προσφέρει ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας.
Σχετικά με τους επιδιωκόμενους στόχους
Το VLSI δημιουργήθηκε αρχικά για μηχανές πέμπτης γενιάς. Στην κατασκευή τους, καθοδηγήθηκαν από μια αρχιτεκτονική ροής και την εφαρμογή μιας έξυπνης διεπαφής ανθρώπου-μηχανής, η οποία όχι μόνο θα παρέχει μια συστηματική λύση στα προβλήματα, αλλά θα παρέχει επίσης στη Μάσα την ευκαιρία να σκέφτεται λογικά, να μαθαίνει μόνος του και να σχεδιάζει λογικά συμπεράσματα.
Υποτέθηκε ότι η επικοινωνία θα πραγματοποιούνταν σε φυσική γλώσσα χρησιμοποιώντας μια μορφή ομιλίας. Λοιπόν, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο εφαρμόστηκε. Ωστόσο, απέχει ακόμα πολύ από την πλήρη και χωρίς προβλήματα δημιουργία ιδανικών υπερμεγάλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Αλλά εμείς, η ανθρωπότητα, προχωράμε με αυτοπεποίθηση. Ο αυτοματισμός σχεδιασμού VLSI παίζει μεγάλο ρόλο σε αυτό.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτό απαιτεί πολλούς ανθρώπινους και χρόνους. Ως εκ τούτου, για εξοικονόμηση χρημάτων, ο αυτοματισμός χρησιμοποιείται ευρέως. Άλλωστε όταν είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν συνδέσεις μεταξύ δισεκατομμυρίωνεξαρτήματα, ακόμη και μια ομάδα πολλών δεκάδων ατόμων θα ξοδέψει χρόνια σε αυτό. Ενώ η αυτοματοποίηση μπορεί να το κάνει αυτό μέσα σε λίγες ώρες, εάν τεθεί ο σωστός αλγόριθμος.
Περαιτέρω μείωση φαίνεται προβληματική τώρα, καθώς πλησιάζουμε ήδη το όριο της τεχνολογίας τρανζίστορ. Ήδη, τα μικρότερα τρανζίστορ έχουν μέγεθος μόνο μερικές δεκάδες νανόμετρα. Αν τα μειώσουμε κατά αρκετές εκατοντάδες φορές, τότε απλά θα τρέξουμε στις διαστάσεις του ατόμου. Αναμφίβολα, αυτό είναι καλό, αλλά πώς να προχωρήσουμε προς τα εμπρός όσον αφορά την αύξηση της απόδοσης των ηλεκτρονικών; Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να πάτε σε ένα νέο επίπεδο. Για παράδειγμα, για να δημιουργήσετε κβαντικούς υπολογιστές.
Συμπέρασμα
Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας είχαν σημαντικό αντίκτυπο στην ανάπτυξη της ανθρωπότητας και στις δυνατότητες που έχουμε. Αλλά είναι πιθανό ότι σύντομα θα ξεπεραστούν και κάτι εντελώς διαφορετικό θα έρθει να τις αντικαταστήσει.
Εξάλλου, δυστυχώς, πλησιάζουμε ήδη το όριο των δυνατοτήτων και η ανθρωπότητα δεν έχει συνηθίσει να στέκεται ακίνητη. Ως εκ τούτου, είναι πιθανό ότι τα εξαιρετικά μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα θα λάβουν τις δέουσες τιμές, μετά την οποία θα αντικατασταθούν από πιο προηγμένα σχέδια. Αλλά προς το παρόν, όλοι χρησιμοποιούμε το VLSI ως την κορυφή της υπάρχουσας δημιουργίας.
