Что такое элементная база?

Что такое микроэлектроника

Электроника прошла несколько этапов развития, в ходе которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника вакуумных устройств, дискретная электроника полупроводниковых устройств, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Базовая основа электроники развивается все более быстрыми темпами. Каждое из данных поколений, появившись в какой-то момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие электронных изделий от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и долговечности, уменьшения габаритов, веса, затрат и энергопотребления, упрощения технологии и улучшения параметров электронного оборудования.

Современный этап развития электроники характеризуется широким распространением интегральных микросхем (ИС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой, что привело к увеличению количества элементов в ней. Количество элементов постоянно увеличивается. Сейчас разрабатываемые сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях чрезвычайно важное значение приобретают проблемы повышения надежности оборудования и его элементов, микроминиатюризации электронных компонентов и сложной миниатюризации оборудования. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Появление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и основы отрасли, производящей дискретные полупроводниковые устройства. Однако с развитием полупроводниковой электроники стали очевидны серьезные ограничения на использование электронных явлений и систем на их основе. Таким образом, микроэлектроника продолжает стремительно развиваться как в направлении совершенствования интегрированных полупроводниковых технологий, так и в направлении использования новых физических явлений.

Разработка любой ИС — довольно сложный процесс, требующий решения различных научно-технических задач. Задачи выбора конкретной технологической реализации ИМС решаются с учетом особенностей разрабатываемой схемы, возможностей и ограничений, присущих различным способам производства, а также технико-экономического обоснования возможности серийного производства.

Компьютер

Эти вопросы решаются с помощью двух основных классов микросхем: полупроводников и гибридов. Оба эти класса могут иметь разные варианты конструкций, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки с точки зрения конструкции и изготовления. С точки зрения конструкции и электрических характеристик полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют друг друга и могут использоваться одновременно в одних и тех же радиоэлектронных комплексах.
При массовом производстве различных маломощных интегральных схем, особенно предназначенных для компьютеров, в основном используются полупроводниковые интегральные схемы. Гибридные микросхемы заняли доминирующее положение в схемах с высокой электрической мощностью, а также в микроволновых устройствах, в которых используется как технология толстых пленок, не требующая жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок, так и технология тонких пленок для обеспечения может использоваться напыление очень маленьких пленочных элементов.

Интересный исторический факт: когда не было электросварщиков, на помощь пришла обычная пятикопеечная монета. Он был несколько заострен и приклепан к проволоке с деревянной ручкой. При нагревании до пламени спиртовой лампы монета хорошо выполняла функцию паяльника. Сейчас, конечно, такой совет звучит просто смешно, но это было то же самое!

При современной элементной базе, которая постоянно пополняется новыми микросхемами и транзисторами, с таким «паяльником» попросту нечего делать, ведь в некоторых случаях при ремонте электронной техники необходимо использовать микроскоп. Таким образом, основа элемента определяет не только конструкцию электронных устройств, но и инструменты, с помощью которых эти устройства будут собираться или ремонтироваться.

Согласно современной компьютерной терминологии, очень просто и ясно, что развитие базового элемента можно проследить на нескольких поколениях компьютеров. На протяжении почти сорока лет развивающийся рынок персональных компьютеров стимулировал развитие кремниевых технологий, производя все больше и больше электронных компонентов.

Электромеханические компьютеры

Еще до создания компьютеров использовались электромеханические вычислительные устройства — табуляторы. Первый табулятор был изобретен в 1890 году Германом Хопперитом в США для расчета результатов переписи населения. Информация вводилась с перфокарт, а результаты обработки предоставлялись в виде отпечатка на бумаге. Табуляторы были основным оборудованием машинно-счетных станций — MSS. В СССР МКК просуществовал до семидесятых годов двадцатого века, по крайней мере, в составе крупных государственных предприятий.

Основной задачей МСС был расчет фонда заработной платы. Отсюда и появились платежные ведомости, которые до сих пор называют «корнями». Внешний вид «современного» табулятора показан на рисунке (квадрат справа — рабочая программа, набранная проводами на коммутационной панели). Вес таких компьютеров достигал 600 кг. В 1939 году в США по заказу армии компьютер Mark 1 был разработан компанией IBM.

Основным его элементом были электромеханические реле. Она производила сложение двух чисел за 0,3 секунды и умножение их на 3. Оценка 1 предназначалась для расчета баллистических таблиц. Компьютер Mark 1 содержал около 750 000 деталей, для соединения которых требовалось 800 км кабелей. Его размеры: высота 2,5 м, длина 17 м.

Поколения ЭВМ и элементная база

Первое поколение компьютеров было построено на электронных лампах. Так в Великобритании в 1943 году был создан компьютер Colossus. Правда, он был узкоспециализированным, его целью было расшифровать немецкие коды, перечислив несколько вариантов. Устройство содержало 2000 ламп, а скорость составляла 500 знаков в секунду.

Первый универсальный ламповый компьютер — ENIAC, созданный в 1946 году в США по заказу военных. Размеры этого компьютера действительно впечатляют: 25 м в длину и почти 6 м в высоту. Машина содержала 17 000 электронных ламп и выполняла приблизительно 300 умножений в секунду, что намного больше, чем релейная машина Mark 1. Потребляемая мощность составляла приблизительно 150 кВт. С помощью расчетов на компьютере ENIAC была продемонстрирована теоретическая возможность создания водородной бомбы.

В Советском Союзе в период с 1948 по 1952 годы также велась разработка ламповых ЭВМ, как и в США, которые в основном использовались военными. Один из лучших ламповых ЭВМ советского производства — серия БЭСМ (большой электронный калькулятор). Всего было выпущено шесть моделей БЭСМ-1… БЭСМ-2 (ламповые) БЭСМ-3… БЭСМ-6 уже на транзисторах. На момент создания каждая модель этой серии была лучшей в мире в классе мэйнфреймов.

Второе поколение ЭВМ 1955 – 1970 гг

Базовый элемент второго поколения состоял из транзисторов и полупроводниковых диодов. По сравнению с ламповыми компьютерами транзисторные компьютеры были меньше и потребляемая мощность также была намного ниже. Скорость компьютеров второго поколения достигла до полумиллиона операций в секунду, появились внешние запоминающие устройства на магнитных носителях — магнитные ленты и магнитные барабаны, созданы алгоритмические языки и операционные системы.

Компьютер второго поколения

Третье поколение ЭВМ 1965 – 1980 гг

Для третьего поколения в качестве основы элементов использовались микросхемы малой и средней степени интеграции: в одном корпусе содержалось до нескольких десятков полупроводниковых элементов. В первую очередь, это микросхемы серии К155, К133. Скорость таких компьютеров достигла 1 млн операций в секунду, появились монохромные буквенно-цифровые видеотерминалы (в машинах второго поколения использовались телетайпы и специальные пишущие машинки).

Дальнейшее развитие элементной базы привело к созданию микросхем интегрального класса большой (LSI) и сверхбольшой (VLSI) емкости. Одна упаковка таких микросхем содержит несколько сотен элементов. Эти микросхемы в СССР были представлены серией К580.

Компьютер третьего поколения

Четвертое поколение ЭВМ 1980 – настоящее время

Это поколение родилось благодаря созданию микропроцессора компанией Intel в 1971 году, что было революционным явлением. Чип Intel 4004 с размером кристалла 3,2 * 4,2 мм содержал 2300 транзисторов и имел тактовую частоту 108 кГц. Его вычислительная мощность была эквивалентна вычислительной мощности компьютера ENIAC. На базе этого устройства был создан микрокомпьютер нового типа. Первые персональные компьютеры (ПК) были выпущены Apple в 1976 году, но в 1980 году IBM стала лидером, выпустив IBM PC, архитектура которого стала международным стандартом для профессиональных ПК. Текущие процессоры Intel Core i7 2-го поколения содержат более миллиарда транзисторных структур.

Создание операционной системы Windows

Apple под руководством Стива Джобса изменила правила игры, выпустив Apple Macintosh с улучшенным графическим интерфейсом пользователя (графический интерфейс пользователя) в 1984 году, используя идею интерфейса от Xerox PARC. И микрокомпьютер, и программы управления дисковой операционной системой были операционными системами на основе командной строки, в которых пользователь должен был взаимодействовать с компьютером с помощью клавиатуры.

После успеха графического интерфейса пользователя Apple, Microsoft интегрировала версию оболочки Windows в версию DOS 1985 года. Windows использовалась в течение следующих 10 лет, пока не была изобретена заново как Windows 95. Это было настоящее программное обеспечение для операционной системы со всеми возможностями необходимые коммуникации.

ENIAC — самый мощный из первых компьютеров

Одним из самых важных компьютеров этой эпохи был ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер), разработанный и построенный инженерами Джоном Мочли и Джоном Преспером Эккертом из Университета Пенсильвании. Его собрала команда из пятидесяти человек. ENIAC был в 1000 раз быстрее, чем предыдущие электромеханические компьютеры, но намного медленнее при перепрограммировании.

Среди прочего, ENIAC использовался для изучения возможностей термоядерного оружия, баллистической артиллерии и воспламенения тепловых двигателей, а иногда и для прогнозирования погоды. Эти системы были огромными по размеру и занимали целые комнаты, потребляя много электроэнергии, что делало их невыносимым источником тепла.

Преимущества интегральных схем

Полупроводниковая интегральная схема включает в себя огромное количество транзисторов, конденсаторов и диодов. Затем они были распечатаны на отдельных участках доски. Ручное подключение конденсаторов и диодов в транзисторах было сложным и не совсем надежным. Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Corporation по отдельности открыли преимущества интегральных схем соответственно в 1958 и 1959. Килби построил свою интегральную схему в Германии, а Нойс построил свою интегральную схему на кремниевом кристалле.

Первой системой, использующей IC, была IBM 360, которая использовалась для обработки как коммерческих, так и научных заданий. Размещение нескольких транзисторов на одном кристалле, помимо снижения затрат, также значительно увеличивает скорость и производительность каждого отдельного компьютера. С момента изобретения скорость интегральных схем удваивалась каждые два года, что еще больше уменьшало размер и стоимость компьютеров.

Процессор Intel 4004

Вскоре производители начали встраивать эти микрочипы в свои новые компьютеры. В 1973 году был выпущен Xerox Alto от PARC. Это был настоящий персональный компьютер с портом Ethernet, мышью и графическим интерфейсом с растровым изображением, первый в своем роде. В 1974 году Intel представила общий 8-битный микропроцессор под названием «8808». Затем программист Гэри Арлен Килдалл начал создавать дисковое программное обеспечение, известное как Программа управления микрокомпьютерами (CPM). Он стал прообразом современной компонентной базы ПК.

Изобретение транзисторных полупроводников

Транзисторные полупроводники были изобретены в Bell Laboratories в 1947 году учеными Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттентом, но не были выпущены до середины 1950-х годов. Инженеры и создатели новой элементной базы видели будущее компьютеров второго поколения в улучшении процедур ввода и вывода данных.

Изначально эти процессы были аналогичны последним моделям компьютеров первого поколения. Работа была довольно долгой и утомительной, так как несколько сотрудников переносили перфокарты из комнаты в комнату.

Появление Linux

Когда программное обеспечение стало обычным явлением и компании начали взимать за него плату, новое движение программистов запустило Linux в 1991 году. Во главе с Linux Торвальдсом они возглавили проект бесплатной операционной системы с открытым исходным кодом под названием Linux. Помимо Linux, для обслуживания офисных, сетевых и домашних компьютеров широко использовались другие операционные системы с открытым исходным кодом и бесплатное программное обеспечение.

Характеристики компьютеров второго поколения

Затем начался процесс обновления ограничительного двоичного машинного кода до языков, полностью поддерживающих символьное и буквенно-цифровое кодирование. Теперь программисты могли писать на ассемблере и языках высокого уровня, таких как FORTRAN, COBOL, SNOWBALL и BASIC.

Первые суперкомпьютеры были лишь некоторыми из машин, в которых использовались транзисторы. Примерами таких систем были универсальный блок UNIVAC LARC компании Sperry Rand (1960 г.), суперкомпьютер IBM-7030 Stretch (1961 г.) и мэйнфрейм CDC 6600 (1963 г).

Первый домашний персональный компьютер

В 1981 году компания International Business Machine представила свой первый домашний компьютер на базе процессора 4004. Он был известен как IBM PC. Компания стала партнером Билла Гейтса, который купил дисковую операционную систему у Seattle Computer Product и распространял ее с нового компьютера IBM. Архитектура IBM PC стала стандартной рыночной моделью.

Пакетная система передачи данных

Для ускорения процесса была создана и внедрена пакетная система. Он включал сбор нескольких заданий с данными на нескольких перфокартах и ​​подачу их на магнитные ленты с использованием относительно небольшой и недорогой системы. IBM-1401 был одним из таких компьютеров. Для этого использовалась операционная система IBM-7094 и Fortran Monitor System.

Когда данные были обработаны, файлы были перенесены обратно на магнитную ленту. Используя меньшую систему, такую ​​как IBM-1401, данные можно было распечатать на нескольких перфокартах в качестве выходной информации. Это были предшественники программного обеспечения операционных систем.

Как работали первые компьютеры

Основа компьютерного элемента — трубки — состояла из герметичных стеклянных емкостей размером с лампочку. В системе не было движущихся частей. Основным элементом первого поколения были лампы, называемые диодами и триодами. Вход и выход осуществлялся с помощью перфокарт, магнитных барабанов, пишущих машинок и устройств для считывания перфокарт. Системный интерфейс реализован с использованием плагинов и машинного языка.

Базовым строительным блоком компьютеров первого поколения было трудно использовать. Техники подключили электрические цепи, подключив несколько проводов к разъемам. Затем они использовали специальные перфокарты и ждали несколько часов, чтобы получить результат для некоторой формы вычислений. Первые компьютеры были настолько большими, что занимали целые комнаты. Язык ассемблера и программное обеспечение операционной системы еще не были доступны. Системы могли решать только одну проблему за раз. Эти машины были разработаны для низкоуровневых операций, и программирование выполнялось с использованием только двоичных цифр 0 и 1.

Четвертое поколение компьютеров: от 1970-х до настоящего времени

Микропроцессор, операционная система и графический интерфейс являются основными строительными блоками современных компьютеров. Рождение микропроцессора было одновременно рождением микрокомпьютера. Это также соответствовало закону Мура, который предсказывал экспоненциальный рост транзисторов и микрочипов, начиная с 1965 года. Intel, ее инженеры Тед Хофф, Федерико Фаггин и Стэн Мазор представили первый в мире однокристальный микропроцессор Intel 4004 в ноябре 1971 года.

То, что заполнило всю комнату в «Поколении I», теперь можно установить у вас на ладони. Само собой разумеется, что новый микрочип был таким же мощным, как компьютер ENIAC с 1946 года. Четвертое поколение и его базовая основа играют важную роль в создании различных устройств.

Использование интегральных схем в современных компьютерах

Почти все электронные устройства сегодня используют те или иные формы интегральных схем, размещенных на печатных платах. В отличие от схемы IC улучшено взаимодействие с компьютерами. Вместо перфокарт для ввода и вывода данных информация отображается через визуальные дисплеи, клавиатуры и усовершенствованные устройства ввода.

Компьютеры теперь используют программное обеспечение операционной системы для управления оборудованием и ресурсами, что позволяет системам запускать несколько приложений одновременно. Это было связано с централизованными приложениями, контролирующими распределение памяти. Компьютеры стали доступны более широкой аудитории благодаря их размеру и справедливой стоимости.

Это поколение также явилось пионером концепции «семейства компьютеров», которая побудила производителей создавать компьютерные компоненты, совместимые с другими системами. Примерами этих систем были суперкомпьютеры Scientific Systems Systems Sigma 7 (1966 г.) и суперкомпьютеры IBM-360 (1964 г.) и CDC 8600 (1969 г).

Распространение мобильных устройств

В 1980-х и 2000-х годах персональные и настольные компьютеры стали обычным явлением. Их устанавливают в офисах, школах и домах, они доступны по цене и компактны. Программное обеспечение, работающее на этих компьютерах, также стало более доступным. Вскоре микропроцессоры вышли из монополизации настольных компьютеров и перешли на другие платформы.

Сначала появились ноутбуки, затем планшеты и смартфоны, консоли, встроенные системы, смарт-карты, которые стали популярными благодаря необходимости пользоваться Интернетом во время вождения. Согласно последним исследованиям, сотовые телефоны составляют 60% всех цифровых устройств в мире.

Универсальный автоматический компьютер

UNIVAC (универсальный автоматический компьютер) создавали те же инженеры: Джон Мочли и Джон Преспер Эккерт. Компьютер был первым в ту же эпоху, который был разработан для коммерческих целей, отличных от военного использования. Используя свою элементарную базу, он неплохо манипулировал алфавитом и числами, и Бюро переписи США использовало его для составления списка всего населения.

Позже он использовался для составления отчетов о продажах компании и даже для прогнозирования результатов президентских выборов 1952 г. В отличие от более 17 000 электронных ламп в ENIAC, UNIVAC использовал чуть более 5 000 электронных ламп. Он также был вдвое меньше своего предшественника. Было продано более 46 таких компьютеров.

Компьютеры второго поколения: 1950-1960-е годы

Компьютеры второго поколения были компьютерами, в которых вместо электронных ламп использовались транзисторы. Это был основной элемент второго поколения. Новые компьютеры были лучше своих предшественников во многом из-за их относительно небольшого размера, скорости и более низкой стоимости. Транзисторы являются строительными блоками почти всех микрочипов, они более надежны, энергоэффективны и способны проводить электричество быстрее и лучше, чем электронные лампы.

Подобно лампам, компьютерное оборудование второго поколения, включающее транзисторы, представляло собой электронные переключатели или затворы, которые использовались для усиления или управления током, а также для включения или выключения электрических сигналов. Транзисторы называются полупроводниками, потому что они содержат элементы, которые находятся между проводниками и изоляторами.

Третье поколение компьютеров: 1960-1970-е годы

Основными строительными блоками компьютеров третьего поколения являются интегральные схемы и мультипрограммирование. В компьютерах третьего поколения вместо транзисторов использовалась микросхема интегральной схемы (ИС). Реализация этих компьютеров также соответствовала закону Мура, согласно которому размер транзисторов уменьшался так быстро, что их количество в схеме удваивалось каждые 2 года.