Микропроцессор – сердце компьютера Создание микропроцессора стало возможным только благодаря фантастической миниатюризации в современной электронной технике второй половины ХХ века. Это крошечное вычислительное устройств (или микрочип) состоит из сотен тысяч и миллионов микроскопических электронных схем, нанесенных на поверхность миниатюрного кремниевого кристалла. Его возможности определяются размером этого кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры - совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Выполняемые микропроцессором команды обеспечивают арифметические действия, логические операции, передачу управления и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода и вывода). Работой микропроцессора управляют электрические импульсы: наличие импульса соответствует единице, отсутствие импульса - нулю. Он предназначен для обработки сигналов в двоичном коде и представляет собой целую сверхминиатюрную цифровую вычислительную машину, помещенную на одном кристалле. Микропроцессоры различаются между собой разрядностью и тактовой частотой. Разрядность - это количество битов, воспринимаемых микропроцессором как единое целое 4, 8, 16, 32, 64 (целые степени числа 2). От разрядности зависят производительность персонального компьютера и максимальный объем его внутренней памяти. В нем имеется генератор тактовых импульсов, служащих метками времени ("тактами") для синхронизации работы его устройств. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (мГц) или гигагерцах (ГГц), в основном определяет производительность (или быстродействие) компьютера. Начало миниатюризации положили, как уже упоминалось, ученые фирмы Bell Telephon Laboratories теоретик Джон Бардин и экспериментатор Уолтер Браттейн, которые в 1948 году разработали полупроводниковый германиевый транзистор, заменивший собой вакуумную электронную лампу. В 1951году руководитель этой группы ученых Уильям Шокли продемонстрировал первый плоскостной германиевый транзистор, заменивший точечную модель Д. Бардина и У. Браттейна. В 1954 году физик Гордон Тил из компании Texas Instruments изготовил транзистор из кремниевого кристалла вместо германиевого.
Гордон Тил В 1958 - 1959 Джек Килби разработал первую в мире интегральную схему (ИС). Она представляла собой тонкую германиевую пластинку длиной 1 см, состоящую из 5 изолированных друг от друга компонентов. Эти компоненты схемы соединялись между собой и с источником питания миниатюрными проволочками с помощью пайки, а вся ИС скреплялась воском. В 1955 - 1959 Роберт Нойс, Джин Херни и Курт Леховец разработали первые интегральные схемы на основе так называемого планарного процесса, при котором получался плоский, без возвышений на поверхности транзистор. В 1958 году Джин Херни усовершенствовал метод изготовления транзисторов. Для изоляции и эащиты полупроводниковых элементов от механических повреждений он использовал тонкие покрытия из двуокиси кремния. Курт Леховец из фирмы Sprague Electric Co разработал интегральную схему с так называемыми p-n-переходами, через которые ток может проходить только в одном направлении. В 1959 году Роберт Нойс создал ИС, в которой p-n-переходы сочетались с планарным процессом и покрытием из двуокиси кремния. Для создания соединений между элементами схемы в миниатюрные бороздки, выгравированные на поверхности покрытия, напыляли частички металла. Такой метод гораздо технологичнее впаивания вручную под микроскопом тончайших проводников. В 1961 г. Стивен Хофстейн изобрел полевой (МОП - со структурой: металл - окисел - полупроводник) транзистор, используемый в интегральных микросхемах.
Стивен Хофстейн Интегральные схемы Р. Нойса оказались намного практичнее ИС Д. Килби. На их основе в 1962 г. фирмы Sprague Electric Company и Texas Instruments начали массовое производство интегральных схем (ИС), вскоре получивших прозвище "чип". Интегральные схемы значительно сократили габариты электронных изделий, устранили трудоемкий процесс пайки соединений между их компонентами и значительно повысили надежность и быстродействие электронных приборов. В 1960-е годы происходила их стремительная миниатюризация, при которой количество отдельных компонентов на кристалле удваивалось каждый год. Первая ИС для памяти компьютера была разработана в компании Intel. Она заменила сначала логические схемы, состоящие из отдельных транзисторов, а затем ферритовую память, состоящую из миниатюрных железных колец, нанизанных на проводники. Первая такая ИС памяти размером менее 0,4 кв.см заменяла 1024 ферритовых сердечника площадью 500 кв.см. В 1970 году инженер фирмы "Intel" Эдвард Хофф создал по заказу японской фирмы Busicom микропроцессор 4004, работавший с 4-разрядными двоичными числами. Он состоял из 2250 транзисторов и включал в себя центральный процессор, выполнявший арифметические и логические функции сразу нескольких ИС. Изначально предназначался он для использования в микрокалькуляторах, и лишь затем стал использоваться в персональных компьютерах. В 1975 году был создан 8-разрядный МП 8080, а на его основе первый персональный компьютер Altair 8800. А дальше совершенствование микропроцессора происходило небывалыми темпами. В 1981 году были созданы 16-разрядный МП 8086 и 8088. На его основе был начат выпуск персональных компьютеров (ПК). В 1982 году 16-разрядный МП 80286 стал основой ПК фирмы IBM РС АТ, получивших широчайшее распространение во всем мире. В 1985 году был создан 32-разрядный МП i386, содержащий уже 275 тысяч транзисторов и обеспечивающий 5 миллионов операций в секунду. В 1989 году микропроцессор i486 содержал 1200000 транзисторов и обладал быстродействием 20 миллионов операций в секунду. В 1993 году появился 32-разрядный МП Pentium, содержащий 3100000 транзисторов и обладающий быстродействием 90 миллионов операций в секунду. Современные микропроцессоры Pentium-III обеспечивают быстродействие 500 - 800 миллионов операций в секунду (при тактовой частоте 500 - 800 мГц). В конце 2000 года корпорация Intel представила микропроцессор Pentium 4. Он содержит 42 миллиона транзисторов, занимает площадь всего 217 кв. мм и имеет тактовую частоту 1,4- 1,5 ГГц. Позднее была достигнута частота 3,0 и более ГГц.
Микропроцессор Pentium 4 Основной конкурент Intel - компания AMD (Advanced Micro Devices) тоже начинает производить микропроцессоры с тактовой частотой более 1 ГГц (1000 мГц). Все эти успехи достигнуты за счет миниатюризации микросхем. Расстояния между "деталями" микросхемы - транзисторами в микропроцессоре Pentium 4 уменьшены до 0,18 микрона. Затем они будут уменьшены до 0,13 микрона. Японская корпорация NEC скоро начнет выпускать микропроцессоры с использованием 0,10-микронного процесса, а для будущего поколения микропроцессоров этот показатель сократится до 0,08 микрона. Каждое такое усовершенствование процесса изготовления микросхем дает возможность уменьшить их в размере и увеличить их скорость. В компании Intel создан транзистор размером всего 30 нанометров (30 миллионных метра) по кремниевой технологии. Благодаря этому появляется возможность размещения на одном кремниевом кристалле 400 миллионов транзисторов, а будущие микропроцессоры Intel смогут выполнять 10 миллиардов рабочих циклов в секунду (при тактовой частоте 10 ГГц). Процесс изготовления микропроцессора состоит из сотен технологических полностью автоматизированных операций. В производстве микропроцессоров на основе кремниевого кристалла используется метод фотолитографии. При помощи масок (шаблонов) в микропроцессоре слой за слоем создаются структуры с определенными электрическими характеристиками. Такие структуры создаются из фоторезиста — вещества, растворяющегося под воздействием ультрафиолетовых лучей. Фоторезист наносится на поверхность кремниевой подложки и облучается ультрафиолетом через маску. В раствор фоторезиста вводят примеси, обеспечивающие после затвердения необходимую электрическую проводимость. Если нужно сформировать непроводящий электричество участок, то на его поверхность наращивается слой оксида кремния. Уже скоро разработчики микропроцессоров подойдут к барьеру, за которым начинаются фундаментальные физические ограничения. Дальше прогнозируют появление молекулярных вычислительных устройств. В них для хранения и преобразования информации предполагают использовать вместо электрических зарядов и импульсов - химические состояния молекул вещества. Специалисты компании Hewlett-Pakkard объявили о создании компьютерного компонента памяти размером в молекулу. В перспективе может быть создан микропроцессор с быстродействием в 100 миллиардов большим, чем Pentium. Однако это отдаленная перспектива. И даже, когда такие микропроцессоры появятся, они длительное время будут сосуществовать с кремниевыми. Intel Corporation (сокращение от Integrated Electronics) - крупнейшая американская компания по производству полупроводниковых интегральных схем и устройств - микропроцессоров, "чипов" памяти и др. |
|
|||
