 |
|
Реалізація інтегральних схем
Одне з найважливіших шляхів вдосконалення обчислювальної техніки є широке використання у ній досягнень сучасної мікроелектроніки. Успіхи напівпровідникової інтегральної електроніки увінчалися створенням нового класу складних функціональних електронних виробів - великих інтегральних схем, котрі почали основний елементної базою ЕОМ четвертого покоління (кінець 1970-х років).
У одній таку схему обсягом лише на частки кубічного сантиметри розміщається блок, який займав у ЕОМ першого покоління цілу шафу. Через війну досягнуто підвищення продуктивності ЕОМ.
Якщо ЕОМ третього покоління швидкодія сягає 20-30 млн операцій на секунду, то машинах четвертого покоління продуктивність сягає мільйонів операцій на секунду. Відповідно зростає й обсяг пам'яті. Поруч із удосконаленням традиційних пристроїв пам'яті на магнітних дисках і стрічках створюється пам'ять без рухомих частин. Загальний обсяг зовнішньої пам'яті у крупних машинах четвертого покоління перевершує 1014 символів, що еквівалентно бібліотеці, що з мільйонів объёмистых томів.
БІС створені у результаті природного розвитку інтегральних схем. Передумовою появи є освоєння електронної промисловістю планарной технології виготовлення кремнієвих напівпровідникових приладів. Принципова новизна цій технології у тому, що вона дозволила замінити звичайні дискретні компоненти диффузионными чи тонкоплёночными компонентами.
Висока надійність ЕОМ закладається у її виробництва. Перехід нові елементну базу - надвеликі інтегральні схеми (СБИС) - різко скорочує число використовуваних інтегральних схем, отже, і кількість їх сполук друг з одним. Добре продумані компонування комп'ютера та забезпечення необхідних режимів роботи (охолодження, захист від пилу).
Усі сучасні обчислювальні машини будуються на комплексах (системах) інтегральних мікросхем (ІВ). Електронна мікросхема називається інтегральної, коли його компоненти і з'єднання з-поміж них виконані єдиному технологічному циклі, на єдиному підставі і мають загальну герметизацію та від механічних впливів. Кожна мікросхема є мініатюрну електронну схему, сформовану пошарово в кристалі напівпровідника: кремнію, германію тощо. До складу мікропроцесорних наборів вмикаються всілякі типи мікросхем, але вони повинен мати єдиний тип межмодульных зв'язків, заснований на стандартизації параметрів сигналів взаємодії (амплітуда, полярність, тривалість імпульсів тощо.). Основу набору зазвичай становлять великі інтегральні схеми (БІС) і надвеликі інтегральні схеми (СБИС). У майбутньому можна очікувати появи ультрабольших ІВ (УБИС). Крім лідерів зазвичай використовуються мікросхеми з малої і середній ступенем інтеграції (СІС). Функціонально мікросхеми можуть відповідати влаштуванню, вузлу чи блоку, але кожна з яких складається з комбінації найпростіших логічних елементів, що реалізують функції формування, перетворення, запам'ятовування сигналів тощо.
Усі сучасні ЕОМ будуються на мікропроцесорних наборах, основу яких становлять великі (БІС) і надвеликі інтегральні схеми (СБИС). Технологічний принцип розробки і виробництва інтегральних схем діє понад чверть століття. Він залежить від послойном виготовленні частин електронних схем по циклу "програма - малюнок - схема". По програмам на запилений фоторезисторный шар наноситься малюнок майбутнього шару мікросхеми. Потім малюнок протравливается, фіксується, закріплюється і ізолюється від нових верств.
За підсумками цього створюється просторова твердотільна структура. Наприклад, СБИС типу Pentium включає близько трьох із половиною мільйонів транзисторів, які у пятислойной структурі. Ступінь мікромініатюризації, розмір кристала ІВ, продуктивність і вартість технології безпосередньо визначаються типом літографії. До нашого часу домінуючою залишалася оптична літографія, тобто. послойные малюнки на фоторезисторе мікросхем завдавалися світловим променем. Нині провідні компанії, що виробляють мікросхеми, реалізують кристали з завбільшки приблизно 400-600 мм2 для процесорів (наприклад, Pentium) і 200-400 мм2 - для схем пам'яті. Мінімальний топологічний розмір (товщина ліній) у своїй становить 0,25-0,135 мкм. Порівняйте можна навести такий приклад. Товщина за людську волосину становить приблизно 100 м мкм. Отже, в такому вирішенні на товщині 100 мкм потрібно викреслювати понад двісті ліній.
Подальші успіхи мікроелектроніки пов'язуються з електронної (лазерної), іонної і рентгенівської літографією. Це дозволяє на розміри 0,13; 0,10 і навіть 0,08 мкм. Замість що використовувалися алюмінієвих провідників в мікросхемах повсюдно починають застосовувати мідні сполуки, що дозволяє підвищити частоту роботи.
Такі технології породжують низку проблем. Мікроскопічна товщина ліній, порівнянна з діаметром молекул, вимагає високої чистоти які і напыляемых матеріалів, застосування вакуумних установок і тенденції зниження робочих температур. Справді, достатньо потрапити щонайменшої порошини під час виготовлення мікросхеми - і її потрапляє у шлюб. Тому заводи з виробництва мікросхем є унікальне устаткування, размещаемое в "чистих приміщеннях класу 1", мікросхеми у яких транспортуються від устаткування до устаткуванню в замкнутих надчистих мини-атмосферах класу 1000. Мини-атмосфеpa створюється, наприклад, сверхчистым азотом або іншими інертним газом при тиску КГ4 Торр.
Нині основою побудови всіх мікросхем була й залишається КМоп-технология (комплементарные схеми, тобто. спільно використовують п- і р-переходы в транзисторах зі структурою "метал - окисел - напівпровідник").
Однак його поява БІС породило дуже серйозне проблему-"что покласти на підкладку" чи, інакше кажучи, як реалізувати пристрій на схемах з такою колосальну кількість елементів.
Першим і досить природним рішенням цієї проблеми стало виготовлення про замовних схем, розроблюваних щоразу спеціально від використання у певній апаратурі. У той самий час проектування замовних БІС - дуже тривалий і трудомісткий процес, використовує складні людино-машинні системи автоматизованого проектування. Тому виготовлення замовних БІС може бути бути економічно виправданими лише за масовому виробництві апаратури, у якій б ці схеми застосовуються.
Хорошою альтернативою замовним БІС з'явилися мікропроцесорні набори - сукупність великих інтегральних схем, що реалізують складні функції цифровий апаратури. З положень цих "цеглин" не так важко будуються мікрокомп'ютери (микро-ЭВМ), отримали виняткове розвиток виробництва і знайшли широке використання у різноманітних системах управління.
Микропроцессор універсальний пристроєм, здатним реалізувати будь-яку логічний функцію. Проте програмна реалізація логіки управління здійснюється порівняно повільно, мікропроцесор найчастіше здатний забезпечити необхідне швидкодія. У зв'язку з цим у час широкого розповсюдження набули программируемые БІС з матричної структурою, серед яких особливу увагу займають программируемые логічні матриці (ПЛМ) - великі інтегральні схеми, поєднують регулярність структури напівпровідникового запоминающего устрою (ЗУ) з універсальністю мікропроцесора. ПЛМ має суттєвими перевагами перед мікропроцесором при реалізації складних алгоритмів управління.
Як функціональних вузлів БІС, орієнтованих реалізацію булевых функцій, широко використовуються звані матричні схеми.
Матричная схема є сітку ортогональних провідників, у місцях перетину яких можуть бути напівпровідникові елементи з односторонньої провідністю (ЭОП) - діоди чи транзистори.
Розглянемо матриці М1и М2. Спосіб включення ЭОП у місцях перетину шин матриці М1 дозволяє реалізувати будь-якою з її виходів будь-яку конъюнкцию її вхідних змінних, узятих зі знаком або без знака інверсії.
Матриця М2 має 4 вертикальних і 2 горизонтальних шини. Спосіб включення ЭОП у місцях перетину шин М2 дозволяє реалізувати будь-якою з її виходів будь-яку диз'юнкцію її вхідних змінних.
Якщо з'єднати ці матриці які можна помітити, будь-яка система булевых функцій у1. yn водних змінних x1. xn може бути дворівневої матричної схемою, першою рівні якої утворюються різні елементарні конъюнкции, але в другому - диз'юнкції відповідних конъюнкций (y1…yn).
У результаті побудова схем з матричної структурою зводиться до визначення точок перетину шин, де мають бути включені ЭОП.
По способу програмування розрізняють матриці, настроювані (программируемые) на заводе-изготовителе, користувачем і репрограммируемые (багаторазово настроювані).
У матрицях першого типу з'єднання ЭОП з шинами здійснюється 1 разом із допомогою спеціальних масок, що використовуються металізації певних ділянок кристала БІС. Після виготовлення БІС отримані сполуки змінені не можуть.
Матриці другого типу поставляються споживачеві не налаштованими і що містять ЭОП у кожному точці перетину їх шин. Налаштування зводиться до видалення (відключення) деяких непотрібних ЭОП. Фізично процес настройки здійснюється в різний спосіб, наприклад, шляхом пропускання серії імпульсів струму досить великий амплітуди через відповідний ЭОП і руйнувань плавкою перемички, включеної послідовно з цим ЭОП та поєднує його з однією з шин у точці їх перетину.
Матриці третього типу дозволяють здійснювати програмування неодноразово. Повторне програмування виконується електричним способом після стирання вмісту матриць під впливом ультрафіолетового (іноді рентгенівського) опромінення чи електричним способом окремо кожному за ЭОП.
Також слід визнати кілька слів про про программируемых матрицях.
Программируемая логічна матриця (ПЛМ) є функціональний блок, створений з урахуванням напівпровідникової технологій і готовий до реалізації логічних схем цифрових систем. Залежно від внутрішньої організації программируемые логічні матриці можна розділити на ПЛМ комбінаційної логіки й ПЛМ з пам'яттю.
Слід зазначити, що у кристалі БІС ПЛМ передбачена спеціальна система шин, що дозволяє з'єднувати виходи донної матриці з входами інший. Виконання розрізів шин і організація необхідних перетинів поміж входами і виходами різних матриць здійснюються на етапі настройки ПЛМ заводу изготовителе.