Основные характеристики микросхем

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем:

КМОП-технологию применяют там, где необходимо экономить потребление тока;

ТТЛ-технологию применяют там, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности.

У КМОП-микросхем слабым местом является уязвимость от статического электричества - достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется.

Существует также смешанная технология BiCMOS (англ. bipolar complementary metal oxide semiconductor) - технология изготовления интегральных микросхем с использованием биполярных и КМОП-транзисторов на одном кристалле. Технология позволяет создавать уникальные изделия, имеющие в своём составе цифровые и аналоговые схемы, объединяя достоинства различных типов транзисторов. В последнее время технология получила распространение в микросхемах питания, например, в стабилизаторах напряжения.

Особым направлением являются микросхемы, у которых логические элементы выполнены по КМОП-технологии, а выходные каскады - на биполярных элементах. Это позволяет избежать существенного недостатка схем на КМОП-элементах - больших сквозных токов в момент переключения из нулевого состояния в единичное. Такие токи приводят к возникновению мощных импульсных помех, что ограничивает применение этих микросхем в радиотехнических устройствах. Применение технологии BiCMOS позволяет объединить преимущества как МОП-, так и ТТЛ-технологий, избежав при этом их недостатков (Интегральная микросхема).

К основным характеристикам микросхем относятся:

1. Напряжение питания;
2. Уровень логических 0 и 1 входа;
3. Уровень логических 0 и 1 выхода;
4. Потребляемый ток;
5. Ток входа (максимальное значение);
6. Ток выхода (максимальное значение);
7. Длительность одиночного импульса (минимальная длина импульса на входе МС);
8. Максимальная рабочая частота;
9. Время перехода 0 -1 и 1 -0;
10. Задержка распространения сигнала (сумма задержек всех каскадов МС).

Технологии КМОП

Основой КМОП является транзистор структуры МОП (металл-окисел-полупроводник). Используют их пары разной проводимости, как правило, с индуцируемым каналом. На рисунке 8.10 представлен один элемент И-НЕ технологии КМОП.

Рис.8.10. Логический элемет И-НЕ технологии КМОП (рисунок выполнен авторами)

Если на обоих входах высокие логические уровни, то верхние транзисторы закрыты, а нижние открыты, что эквивалентно подключению выхода к общему проводу. А если хотя бы на одном входе ноль, тогда один из транзисторов открыт а другой закрыт, и на выходе будет напряжение питания. Если нижние транзисторы включить параллельно, а верхние последовательно - получим ИЛИ-НЕ.

Перспективы развития

Помимо развития телекоммуникационных технологий, процесс создания подобных систем включает в себя проведение фундаментальных физических исследований в области материаловедения и полупроводниковых технологий, проектирование интегральных схем и разработку корпусов для них.

Проектирование и технология изготовления корпусов интегральных схем приобретают здесь тем большее значение, чем теснее оказываются связаны между собой звенья в «цепи инноваций».

В этой связи необходимо заметить, что в настоящее время в качестве разработчиков и исследователей весьма востребованы разносторонние специалисты, обладающие обширными знаниями в области физики, материаловедения, полупроводниковых технологий и технологий корпусирования ИС, системного проектирования (от физики транзисторов до систем связи).

Закон Мура

В 1975 г. Гордон Мур (Gordon Moore), пионер в области электроники, сформулировал свое знаменитое предположение, что сложность микросхем будет удваиваться каждые два года. Технологический прогресс позволит непрерывно уменьшать размеры транзисторов в микросхемах, так что для обработки информации электрическим сигналам нужно будет проходить все меньшие расстояния. Для электронной промышленности и потребителей это утверждение, получившее название закона Мура, означало, что компьютеризованные устройства будут неуклонно становиться все меньше, быстрее и дешевле.

Это новое предсказание также сбылось, и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать поныне (то есть в течение почти 30 лет! ), в последнее время немного ускорившись до удвоения за 18 месяцев, что можно наглядно проследить на примере деятельности лидера современной полупроводниковой индустрии - корпорации Intel.

Рис.8.11. Иллюстрация закона Мура

Источник: http: //www.nanonewsnet.ru/files/users/u1412/47478.jpg

Благодаря постоянному внедрению инноваций в конструкции и технологии производства полупроводниковых приборов микросхемы удивительно точно следовали прогнозу Мура почти 35 лет.

Однако инженеры понимали, что рано или поздно эта тенденция прекратится. Толщина транзисторов уменьшится до значения всего в десятки атомов, и тут фундаментальные законы физики положат процессу предел. Но, вероятно, еще раньше возникнут две практические проблемы. Обеспечение высокого процента выхода годных микросхем при столь близком расположении транзисторов может стать неприемлемо дорогим, а интенсивность тепла, выделяемого густой «чащей» транзисторов в ходе работы, может достигнуть уровня, когда сами элементы «сварятся».

Несколько лет назад эти проблемы действительно встали перед конструкторами. И именно тот факт, что обеспечить достаточно эффективное охлаждение микросхемы, в которой размещено необходимое число транзисторов, весьма непросто, и стал основной причиной оснащения рядовых персональных компьютеров активно рекламируемыми двухъядерными процессорами, т.е. двумя расположенными рядом маленькими процессорами, запрограммированными на параллельную обработку информации (Перспективы развития микросхем).

Размер

Сегодня самые маленькие транзисторы массового производства имеют ширину всего 32 нм (10^-9метра) - примерно в 96 атомов кремния. В отрасли понимают, что изготовление элементов размерами меньше 22 нм с использованием литографической техники, которая совершенствовалась десятки лет, будет исключительно трудным.

Рис.8.12. Кроссбар-система

Источник: http: //venture-biz.ru/images/stories/stati/informatsionnye-tekhnologii/razvitie-mikroskhem/razvitie-

mikroskhem-2.jpg

Один из вариантов, в котором используюя конструктивные элементы примерно тех же размеров как в сегодняшниах, но при этом обеспечивающем более высокие возможности это кроссбар-системы. В этой конструкции транзисторы располагаются не в одной плоскости, а используется система параллельных нанопроводников, лежащих в одной плоскости, которые пересекают проводники аналогичной системы, расположенные в другой, а между этими плоскостями располагается буферный слой толщиной в одну молекулу. Проводники образуют множество пересечений, называемых мемристорами, которые могут играть роль переключателей, так же как транзисторы. Однако мемристоры могут и хранить информацию. Сочетание обеих возможностей позволяет решать ряд вычислительных задач. На практике один мемристор может выполнять работу 10-15 транзисторов.

Компания Hewlett-Packard Labs изготавливает кроссбар-системы с титановыми и платиновыми проводниками шириной 30 нм, используя материалы и методы, подобные уже оптимизированным для полупроводниковой промышленности. Исследователи компании полагают, что ширину проводников можно будет уменьшить до 8 нм. Некоторые исследовательские группы изготавливают также кроссбар-системы из кремния, титана и сульфида серебра.

Мемристор компании Hewlett-Packard - это новый тип схемного элемента, формируемый на месте каждого приподнятого пересечения перекрывающихся нанопроводников (Перспективы развития микросхем).

Отвод тепла

Когда на кристалле кремния размещается до миллиарда транзисторов, задача отвода тепла, выделяющегося при их переключениях, становится трудноразрешимой. В персональных компьютерах есть место для вентилятора, но он способен отводить не больше 100 Вт на кристалл. Поэтому конструкторы рассматривают несколько новых возможностей. Так, в ноутбуке MacBook Air роль теплоотвода (радиатора) играет тонкий корпус из алюминия, обладающего высокой теплопроводностью. В персональном компьютере Apple Power Mac G5 охлаждение обеспечивает жидкость, протекающая через микроканалы в нижней части кристалла микропроцессора.

Однако сочетание жидкости и электроники может быть рискованным, а в малогабаритных портативных устройствах вроде смартфонов ни для каналов, ни для вентиляторов места нет. Исследовательская группа компании Intel встроила в корпус микросхемы тонкопленочную сверхрешетку из теллурида висмута. Этот термоэлектрический материал преобразует градиент температуры в электроэнергию, охлаждая, таким образом, кристалл микросхемы.

Рис.8.13. Отвод тепла теллуридом висмута

Источник: http: //venture-biz.ru/images/stories/stati/informatsionnye-tekhnologii/razvitie-mikroskhem/razvitie-mikroskhem-3.jpg

Охлаждающая «заплатка» из теллурида висмута отводит тепло от расположенной над ней гораздо большей микросхемы к тонкому рассеивающему слою. «Заплатка» и рассеивающий слой занимают меньше места, чем существующие сегодня радиаторы, и потребляют меньше энергии.

Компания Ventiva, использующая результаты исследований Университета Пердью, разрабатывает миниатюрный твердотельный «вентилятор» без движущихся частей, который создает поток воздуха с помощью эффекта электрического ветра - принципа, который используется в бесшумных бытовых очистителях воздуха. Слегка вогнутая решетка содержит проводники под напряжением, которые создают микроплазму. Ионы этой газообразной смеси увлекают молекулы воздуха от проводников к соседней пластине, продуцируя «ветер». Такой «вентилятор» дает более сильный поток воздуха, чем обычное механическое устройство, но при гораздо меньших размерах. Другие разработчики конструируют вентиляторы на основе машины Стирлинга, пока еще несколько громоздкие, но зато создающие ветер, не потребляя электроэнергии, за счет разности температур между горячим и холодным участками кристалла (Перспективы развития микросхем).

Архитектура

Транзисторы меньших размеров могут включаться и выключаться, представляя соответственно ноль и единицу, за меньшее время, что повышает быстродействие микросхемы. Однако когда микросхема достигает температурного потолка, тактовая частота - число команд, которые способна обрабатывать микросхема за одну секунду - выходит на предел порядка 3-4 ГГц.

Стремление еще повысить характеристики в пределах допустимого тепловыделения и достижимой тактовой частоты побудило конструкторов разместить на одном кристалле два процессора - или ядра. Каждое ядро работает не быстрее прежних процессоров, но поскольку два ядра функционируют параллельно, они могут обрабатывать за то же время больший объем данных, потребляя меньше электроэнергии и выделяя меньше тепла. Процессоры новейших персональных компьютеров, например Intel i7 и AMD Phenom X4 имеют по четыре ядра.

Рис.8.14. Многопроцессорный кристалл

Источник: http: //venture-biz.ru/images/stories/stati/informatsionnye-tekhnologii/razvitie-mikroskhem/razvitie-

mikroskhem-4.jpg

Самые мощные в мире суперкомпьютеры содержат тысячи ядер, но в потребительских компьютерах для наиболее эффективного использования даже небольшого числа ядер требуются новые методы программирования, обеспечивающие распределение и обработку данных между процессорами и координирование задач. Основы параллельного программирования были разработаны для суперкомпьютеров еще в 1980-1990-х гг., теперь необходимо создать языки и инструментарий, которые разработчики программ могли бы применить для потребительских приложений. В частности компания Microsoft Research создала язык программирования F#.

Язык Erlang, созданный компанией Ericsson еще раньше, побудил разработчиков к созданию новых языков, включая Clojure и Scala. Созданием языков для параллельного программирования многоядерных микросхем занимаются и научные учреждения, в частности Иллинойский университет.

Если эти подходы удастся усовершенствовать, то настольные и портативные устройства смогут содержать десятки и даже больше параллельных процессоров, каждый из которых будет вмещать меньше транзисторов, чем сегодняшние микросхемы, но как единая группа работать быстрее (Перспективы развития микросхем).

Органическая логика

При молекулярных вычислениях функции транзисторов выполняют молекулы. В случае биологических молекул, например ДНК, такие вычисления называют биологическими. Инженеры могут называть вычисления с помощью небиологических молекул - молекулярной логикой или молектроникой.

Классический транзистор имеет три вывода: исток, затвор и сток (представьте его структуру в виде буквы Y). Подача того или иного напряжения на затвор отпирает или запирает поток электронов от истока к стоку, устанавливая соответственно единицу или ноль.

Молекулы с разветвленной структурой теоретически могли бы подобным же образом управлять сигналом. Ученые из Йельского университета и Университета Райса десять лет назад сумели построить молекулярные ключи, используя молекулы бензола в качестве строительных блоков.

Молекулы могут быть очень малыми, поэтому схемы на их основе могут быть гораздо меньше кремниевых. Однако построить из молекул сложные схемы очень трудно. Ученые надеются, что одним из решений может стать самосборка. В октябре 2009 г. группа из Пенсильванского университета сформировала схемы на основе металло-полупроводниковых сверхрешеток из цинка и кристаллического сульфида кадмия, используя только химические реакции, направляющие самосборку.

Молекулярный компьютер - это устройство, где вместо кремниевых чипов используются так называемые интеллектуальные молекулы, которые могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях с разными свойствами. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, магнитного поля и т.д. (рис. 8.15), формируя двухбитную систему, воспроизводящую на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

Рис. 8.15. Схема бистабильной молекулярной системы

Источник: http: //www.compress.ru/Archive/CP/2005/1/41/03.jpg

Как известно, производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы. Критический элемент кремниевого транзистора, из-за которого нельзя сделать его намного меньше, - толщина изолирующего слоя оксида кремния между затвором и проводящим слоем. Несмотря на то что технологии позволяют делать этот слой все тоньше, существует физический предел - не более 4-5 молекул (1, 5-2 нм). Размеры будущего молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых, а эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 млрд. раз выше, чем современного кремниевого. Память молекулярного компьютера будет основана на тех же принципах, что и переключатели, то есть в ее основе будут лежать бистабильные молекулярные структуры и их же превращения. По сообщениям представителей Bell Labs, транзисторы на молекулярном уровне могут совершить настоящую революцию в сфере производства компьютеров (Перспективы развития микросхем).

Сверхтонкий графен

Цель постоянного уменьшения размеров транзисторов - сократить расстояния, которые должны проходить электрические сигналы внутри микросхемы, что позволяет повысить скорость обработки информации.

Тем не менее, есть один наноматериал - графен, который может ускорить процесс благодаря своей особой структуре.

В большинстве логических микросхем, предназначенных для обработки информации, используются полевые транзисторы КМОП-структуры. Представьте себе транзистор в виде узкого прямоугольного слоеного пирога со слоем алюминия или, в последнее время, поликристаллического кремния сверху, изолирующим слоем оксида в середине и полупроводящим слоем кремния внизу.

Рис.8.16. Графеновый транзистор

Источник: http: //venture-biz.ru/images/stories/stati/informatsionnye-tekhnologii/razvitie-mikroskhem/razvitie-

mikroskhem-6.jpg

Графен, недавно выделенная форма молекул углерода, представляет собой плоский лист из множества повторяющихся шестиугольников (вроде мелкой проволочной сетки с шестиугольными ячейками) толщиной всего в один атомный слой. Стопка слоев графена представляет собой природный графит, знакомый нам по грифелям карандашей. В чистой кристаллической форме графен проводит электроны быстрее, чем любой другой материал при комнатной температуре - гораздо быстрее, чем полевые транзисторы. При этом потери энергии носителями заряда в результате рассеивания или столкновения с атомами решетки оказываются очень малыми, а значит, выделяется мало тепла. Графен как материал был обнаружен только в 2004 г., поэтому работа с ним находится еще в самой начальной стадии, но ученые уверены, что сумеют изготавливать графеновые транзисторы шириной всего в 10 нм и толщиной в один атом. Возможно, что в одном крошечном листе графена можно будет формировать множество схем (Перспективы развития микросхем).

Графеновый транзистор, изготовленный в Манчестерском университете (Англия) имеет толщину всего в один атом. Квантовая точка позволяет проходить от истока к стоку, задавая единицу или ноль, всего одному электрону.

Нанотрубки и самосборка

Группа инженеров из IBM изготовила традиционную КМОП-микросхему, проводящей подложкой в которой служит не кремний, а углеродная нанотрубка. Йорг Аппензеллер (Joerg Appenzeller) разрабатывает новые транзисторы, которые меньше КМОП-транзисторов и позволяют лучше использовать миниатюрную основу из нанотрубки.

Рис.8.17. Микросхема с углеродной нанотрубкой

Источник: http: //venture-biz.ru/images/stories/stati/informatsionnye-tekhnologii/razvitie-mikroskhem/razvitie-

mikroskhem-5.jpg

По такому принципу выполнена схема кольцевого генератора, построенная на единственной углеродной нанотрубке, соединяющей между собой элементы схемы.

Выстраивание молекул или даже атомов может быть сложным делом, особенно в промышленных масштабах. Одним из решений может стать самосборка под воздействием тепла, света или центробежных сил, заставляющихмолекулы самостоятельно выстраиваться в предсказуемую структуру из смеси.

Корпорация IBM продемонстрировала, как можно изготавливать микросхемы памяти, используя полимеры, соединенные химическими связями. При заливке полимера на поверхность вращающейся кремниевой шайбы его молекулы вытягиваются и образуют сотовую структуру с порами шириной всего 20 нм. После этого полученную структуру можно вытравить в кремний, получив микросхему памяти такого же масштаба (Перспективы развития микросхем).

Микропроцессоры

Микропроцессор - обрабатывающее и управляющее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (больших интегральных схем) на 1-м или нескольких кристаллах и обладающее способностью под программным управлением выполнять обработку информации.

Рис.8.18. Микропроцессор Ralink

Источник: http: //www.3dnews.ru/communication/ZyXEL-Keenetic/index2.htm

Процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Последовательность команд - программа представляет собой алгоритм, по которому работает процессор. Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

По назначению МП делятся на универсальные и специализированные.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач.

Специализация МП - его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т.д.

С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры.

Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме и обрабатываются, а после обратного преобразования в аналоговую форму, поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной " настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные:

синхронные - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов);
асинхронные - микропроцессоры, которые позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными (Микропроцессорная техника).

По количеству выполняемых программ одно- и многопрограммные микропроцессоры:

в однопрограммных выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы;
в много- или мультипрограммных одновременно выполняется множество программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществлять контроль за состоянием и управление большим числом источников и приемников информации.

· 8.2.1. Архитектура микропроцессора

· Понятие архитектуры микропроцессора определяет его составные части, а также связи и взаимодействие между ними:

· 1) структурную схему самого микропроцессора (МП);

· 2) программную модель МП (описание функций регистров);

· 3) информацию про организацию памяти (объём памяти и способы её адресации);

· 4) описание организации процедур ввода-вывода.

· Существует два основных типа архитектур: фон Неймана и гарвардская.

· Особенностью архитектуры фон Неймана является то, что программа и данные хранятся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по одной шине данных и управления.

· Рис.8.19. Упрощенный вариант архитектуры фон Неймана (рисунок выполнен авторами)

· Особенностью гарвардской архитектуры является то, что память данных и программ разделены и имеют отдельные шину данных и шину команд, что повышает быстродействие МП (Понятие архитектуры микропроцессора).

· Рис.8.20. Упрощенный вариант гарвардской архитектуры (рисунок выполнен авторами)

· Архитектура фон Неймана

· Рис.8.21. Архитектура фон Неймана (рисунок выполнен авторами)

· (IBB (ИВВ) - интерфейс ввода-вывода; ПВВ (УВВ) - устройство ввода-вывода)

· В основе архитектуры фон Неймана лежат следующие принципы:

· 1. Принцип программного управления.

· Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.

· 2. Принцип однородности памяти.

· Программы (команды) и данные хранятся в одной и той же памяти; кодируются в одной и той же системе счисления - двоичной.

· Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

· 3. Принцип адресуемости памяти.

· Основная память состоит из пронумерованных ячеек, доступных для процессора в любой момент времени.

Гарвардская архитектура

Рис.8.22. Гарвардская архитектура (рисунок выполнен авторами)

(IBB (ИВВ) - интерфейс ввода-вывода; ПВВ (УВВ) - устройство ввода-вывода)

Гарвардская архитектура начала интенсивно использоваться только в конце 1970-х годов, когда началось интенсивное применение цифровых сигнальных процессоров. Причиной появления интереса к гарвардской архитектуре было то, что в цифровых сигнальных процессорах необходимый объем памяти данных МП, используемой для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ.

Гарвардская архитектура имеет следующие особенности:

1. Применение небольшой по объему памяти данных способствует ускорению поиска информации в памяти и увеличивает быстродействие МП.

2. Позволяет организовать параллельное выполнение программ - выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, в результате чего сокращается время выборки команды.

Сравнительный анализ архитектур МП:

Недостатком гарвардской является усложнение архитектуры МП и необходимость генерации дополнительных управляющих сигналов для памяти команд и памяти данных. В системах коммутации и связи применяются процессоры с обеими архитектурами.

Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана - упрощение устройства МП, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МП с точки зрения разработчика программного обеспечения. Архитектура Фон-Неймана стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные.

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 19 20 212223 24 Следующая ⇒