טכנולוגיית המחשב מתפתחת במהירות רבה. ישנם פריסות ופיתוחים חדשים שחייבים לעמוד בדרישות הולכות וגדלות. אחד הדברים המעניינים ביותר הוא המעגל המשולב הגדול מאוד. מה זה? למה יש לה שם כזה? אנחנו יודעים איך VLSI מייצג, אבל איך זה נראה בפועל? איפה משתמשים בהם?
היסטוריית פיתוח
בתחילת שנות השישים, הופיעו המיקרו-מעגלים הראשונים של מוליכים למחצה. מאז, מיקרואלקטרוניקה עברה דרך ארוכה מאלמנטים לוגיים פשוטים למכשירים הדיגיטליים המורכבים ביותר. מחשבים מודרניים מורכבים ורב-תכליתיים יכולים לפעול על גביש יחיד מוליך למחצה, ששטחו הוא סנטימטר מרובע אחד.
היה צריך לקבל אותם איכשהולסווג ולהבדיל. מעגל משולב גדול מאוד (VLSI) נקרא כך מכיוון שהיה צורך לייעד מיקרו-מעגל, שבו מידת האינטגרציה עלתה על 104 אלמנטים לשבב. זה קרה בסוף שנות השבעים. תוך כמה שנים התברר שזהו הכיוון הכללי למיקרואלקטרוניקה.
אז, המעגל המשולב הגדול מאוד נקרא כך מכיוון שהיה צורך לסווג את כל ההישגים בתחום זה. בתחילה, מיקרואלקטרוניקה נבנתה על פעולות הרכבה ועסקה ביישום של פונקציות מורכבות על ידי שילוב אלמנטים רבים בדבר אחד.
ואז מה?
בתחילה, חלק ניכר מהעלייה בעלות המוצרים המיוצרים היה דווקא בתהליך ההרכבה. השלבים העיקריים שכל מוצר היה צריך לעבור הם תכנון, יישום ואימות של חיבורים בין רכיבים. הפונקציות, כמו גם מידות המכשירים שהוטמעו בפועל, מוגבלות אך ורק על ידי מספר הרכיבים בשימוש, אמינותם וממדיהם הפיזיים.
אז אם הם אומרים שמעגל משולב גדול מאוד שוקל יותר מ-10 ק ג, זה בהחלט אפשרי. השאלה היחידה היא הרציונליות של שימוש בגוש כה גדול של רכיבים.
Development
אני רוצה לעשות עוד סטיה קטנה. מבחינה היסטורית, מעגלים משולבים נמשכו על ידי גודלם ומשקלם הקטן. אם כי בהדרגה, עם ההתפתחות, היו הזדמנויות להתקרבות מתמידמיקום אלמנטים. ולא רק. יש להבין זאת לא רק כמיקום קומפקטי, אלא גם כשיפור באינדיקטורים ארגונומיים, עלייה בביצועים ורמת אמינות תפעולית.
יש להקדיש תשומת לב מיוחדת למדדי חומר ואנרגיה, התלויים ישירות באזור הקריסטל המשמש לכל רכיב. זה היה תלוי במידה רבה בחומר שבו נעשה שימוש. בתחילה, גרמניום שימש למוצרי מוליכים למחצה. אבל עם הזמן, הוא הוחלף על ידי סיליקון, בעל מאפיינים אטרקטיביים יותר.
במה נעשה שימוש עכשיו?
אז אנחנו יודעים שהמעגל המשולב הגדול מאוד נקרא כך מכיוון שהוא מכיל רכיבים רבים. באילו טכנולוגיות משתמשים כיום כדי ליצור אותם? לרוב הם מדברים על אזור התת-מיקרון העמוק, המאפשר להשיג שימוש יעיל ברכיבים ב-0.25-0.5 מיקרון, ועל ננו-אלקטרוניקה, שבה אלמנטים נמדדים בננומטרים. יתרה מכך, הראשון הופך בהדרגה להיסטוריה, ובשני מתגלים יותר ויותר תגליות. הנה רשימה קצרה של פיתוחים שנוצרים:
- מעגלי סיליקון גדולים במיוחד. יש להם גדלי רכיבים מינימליים באזור התת-מיקרון העמוק.
- התקני הטרוצומת במהירות גבוהה ומעגלים משולבים. הם בנויים על בסיס סיליקון, גרמניום, גליום ארסניד, כמו גם מספר תרכובות אחרות.
- טכנולוגיה של מכשירים בקנה מידה ננו, אשר יש לציין את הננוליטוגרפיה בנפרד.
למרות שמצוינים כאן גדלים קטנים, אבל אין צורך לטעות לגבי מי מהםמעגל משולב אולטימטיבי גדול במיוחד. הממדים הכוללים שלו יכולים להשתנות בסנטימטרים, ובחלק מהמכשירים הספציפיים אפילו מטרים. מיקרומטרים וננומטרים הם רק בגודל של אלמנטים בודדים (כגון טרנזיסטורים), ומספרם יכול להיות במיליארדים!
למרות מספר כזה, יכול להיות שמעגל משולב בקנה מידה גדול במיוחד שוקל כמה מאות גרמים. למרות שייתכן שהוא יהיה כל כך כבד שאפילו מבוגר לא יכול להרים אותו בעצמו.
איך הם נוצרים?
בואו נשקול טכנולוגיה מודרנית. לכן, כדי ליצור חומרים חד-גבישיים מוליכים למחצה טהורים במיוחד, כמו גם ריאגנטים טכנולוגיים (כולל נוזלים וגזים), אתה צריך:
- הבטח תנאי עבודה נקיים במיוחד באזור עיבוד הפרוסים וההובלה.
- פיתוח פעולות טכנולוגיות וצור מערך ציוד, שבו תהיה בקרת תהליכים אוטומטית. זה הכרחי כדי להבטיח את איכות העיבוד שצוינה ורמות נמוכות של זיהום. אם כי אל לנו לשכוח את הביצועים והאמינות הגבוהים של הרכיבים האלקטרוניים שנוצרו.
האם זו בדיחה כשיוצרים אלמנטים שגודלם מחושב בננומטרים? אבוי, לא ייתכן שאדם יבצע פעולות הדורשות דיוק פנומנלי.
מה לגבי יצרנים מקומיים?
למההאם המעגל המשולב הגדול במיוחד קשור מאוד לפיתוחים זרים? בתחילת שנות ה-50 של המאה הקודמת, ברית המועצות תפסה את המקום השני בפיתוח האלקטרוניקה. אבל עכשיו קשה מאוד ליצרנים מקומיים להתחרות בחברות זרות. אבל לא הכל רע.
לכן, לגבי יצירת מוצרים מורכבים עתירי מדע, אנו יכולים לומר בביטחון שלפדרציה הרוסית יש כעת את התנאים, הצוות והפוטנציאל המדעי. ישנם לא מעט מפעלים ומוסדות שיכולים לפתח מכשירים אלקטרוניים שונים. נכון, כל זה קיים בנפח די מוגבל.
לכן, זה קורה לעתים קרובות כאשר "חומרי גלם" היי-טק משמשים לפיתוח, כגון זיכרון VLSI, מיקרו-מעבדים ובקרים שיוצרו בחו"ל. אבל במקביל, בעיות מסוימות של עיבוד אותות וחישובים נפתרות באופן תכנותי.
למרות שאין להניח שאנו יכולים לרכוש ולהרכיב ציוד בלעדי ממרכיבים שונים. ישנן גם גרסאות מקומיות של מעבדים, בקרים, מעגלים משולבים בקנה מידה גדול במיוחד ופיתוחים אחרים. אבל, למרבה הצער, הם לא יכולים להתחרות עם מנהיגי העולם מבחינת האפקטיביות שלהם, מה שמקשה על היישום המסחרי שלהם. אבל השימוש בהם במערכות ביתיות שבהן אתה לא צריך הרבה כוח או שאתה צריך לדאוג לאמינות הוא בהחלט אפשרי.
PLCs עבור לוגיקה ניתנת לתכנות
זהו סוג פיתוח מבטיח שהוקצה בנפרד. הם מחוץ לתחרות באותם תחומים שבהם אתה צריך ליצורמכשירים מיוחדים בעלי ביצועים גבוהים המתמקדים ביישום חומרה. הודות לכך, משימת ההקבלה לתהליך העיבוד נפתרת והביצועים עולים פי עשרה (בהשוואה לפתרונות תוכנה).
בעיקרו של דבר, למעגלים המשולבים בקנה מידה גדול במיוחד יש ממירי פונקציות מגוונים וניתנים להגדרה המאפשרים למשתמשים להתאים אישית את החיבורים ביניהם. והכל על גביש אחד. התוצאה היא מחזור בנייה קצר יותר, יתרון כלכלי לייצור בקנה מידה קטן ויכולת לבצע שינויים בכל שלב של התכנון.
פיתוח של מעגלים משולבים אולטרה-גדולים לוגיים ניתנים לתכנות לוקח מספר חודשים. לאחר מכן, הם מוגדרים בזמן הקצר ביותר האפשרי - וכל זה ברמת עלויות מינימלית. ישנם יצרנים, ארכיטקטורות ויכולות שונות של המוצרים שהם יוצרים, מה שמגביר מאוד את היכולת לבצע משימות.
איך הם מסווגים?
בדרך כלל משמש עבור זה:
- קיבולת לוגית (דרגת אינטגרציה).
- ארגון המבנה הפנימי.
- סוג הפריט הניתן לתכנות.
- ארכיטקטורת ממיר פונקציות.
- נוכחות/היעדר זיכרון RAM פנימי.
כל פריט ראוי לתשומת לב. אבל אבוי, גודל המאמר מוגבל, ולכן נשקול רק את הרכיב החשוב ביותר.
מה זהיכולת לוגית?
זוהי התכונה החשובה ביותר עבור מעגלים משולבים בקנה מידה גדול מאוד. מספר הטרנזיסטורים בהם יכול להגיע למיליארדים. אבל יחד עם זאת, הגודל שלהם שווה לשבריר עלוב של מיקרומטר. אבל בשל היתירות של מבנים, קיבולת לוגית נמדדת במספר השערים הדרושים ליישום המכשיר.
כדי לייעד אותם, נעשה שימוש באינדיקטורים של מאות אלפי ומיליוני יחידות. ככל שהערך של היכולת הלוגית גבוה יותר, כך יכול להציע לנו יותר הזדמנויות שמעגל משולב בקנה מידה גדול במיוחד.
מידע על המטרות שאחרי
VLSI נוצר במקור עבור מכונות דור חמישי. בייצורם הם הונחו על ידי ארכיטקטורת סטרימינג והטמעת ממשק אדם-מכונה אינטליגנטי, אשר לא רק יספק פתרון שיטתי לבעיות, אלא גם יעניק למאשה אפשרות לחשוב בהיגיון, ללמוד בעצמו ולצייר הגיוני. מסקנות.
ההנחה הייתה שהתקשורת תתנהל בשפה טבעית באמצעות טופס דיבור. ובכן, בצורה כזו או אחרת זה יושם. אבל עדיין, זה עדיין רחוק מיצירה מלאה ללא בעיות של מעגלים משולבים גדולים במיוחד. אבל אנחנו, האנושות, מתקדמים בביטחון. אוטומציה של עיצוב VLSI משחקת תפקיד גדול בכך.
כפי שהוזכר קודם לכן, זה דורש משאבי אנוש וזמן רבים. לכן, כדי לחסוך כסף, נעשה שימוש נרחב באוטומציה. הרי כשצריך ליצור קשרים בין מיליארדיםרכיבים, אפילו צוות של כמה עשרות אנשים יבזבז שנים על זה. בעוד אוטומציה יכולה לעשות זאת תוך מספר שעות, אם מונח האלגוריתם הנכון.
צמצום נוסף נראה בעייתי כעת, מכיוון שאנו כבר מתקרבים לגבול טכנולוגיית הטרנזיסטור. כבר עכשיו, הטרנזיסטורים הקטנים ביותר הם בגודל של כמה עשרות ננומטרים בלבד. אם נצמצם אותם פי כמה מאות, אז פשוט ניתקל בממדים של האטום. אין ספק שזה טוב, אבל איך להתקדם במונחים של הגדלת היעילות של האלקטרוניקה? כדי לעשות זאת, אתה צריך ללכת לרמה חדשה. לדוגמה, כדי ליצור מחשבים קוונטיים.
מסקנה
למעגלים משולבים בקנה מידה גדול במיוחד הייתה השפעה משמעותית על התפתחות האנושות ועל האפשרויות שיש לנו. אבל סביר להניח שהם יתיישנו בקרוב ומשהו אחר לגמרי יבוא להחליף אותם.
אחרי הכל, אבוי, אנחנו כבר מתקרבים לקצה גבול האפשרויות, והאנושות לא רגילה לעמוד במקום. לכן, סביר להניח שמעגלים משולבים גדולים במיוחד יזכו לכבוד הראוי, ולאחר מכן יוחלפו בעיצובים מתקדמים יותר. אבל לעת עתה, כולנו משתמשים ב-VLSI כפסגת היצירה הקיימת.
