Навігація
Головна
 
Головна arrow Інформатика arrow Інформатика
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

ЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПОБУДОВИ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ МАШИН

Синтез мікросхем ЕОМ (суматора, полусумматора і ін.) Виконаний на основі алгебри логіки.

Однорозрядних двійковий суматор (полусумматор)

Суматор має два входи (а і b) і два виходи (S і Р). Виконується операція складання згідно з правилами, що визначаються таблицею істинності (табл. 4.2).

Таблиця 4.2. Таблиця істинності

а

ь

f 1 (a, b) = S

f 2 (a, b) = P

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

Примітка: - значення цифри суми в даному розряді;

- цифра переносу в наступний (старший) розряд. Логічна блок-схема пристрою, що реалізує функцію

представлена на рис. 4.5.

Логічна блок-схема полусумматора

Мал. 4.5. Логічна блок-схема полусумматора

Позначення логічних блоків відповідно до міжнародного стандарту

Мал. 4.6. Позначення логічних блоків відповідно до міжнародного стандарту [1]

Схема містить логічні блоки відповідно до міжнародного стандарту (рис. 4.6).

Для логічних виразів "АБО", "І" та "НІ" існують типові технічні схеми, побудовані на реле, електронних лампах, дискретних напівпровідникових елементах і інтегральних схемах. У сучасних комп'ютерах застосовуються системи інтегральних елементів, у яких з метою більшої уніфікації в якості базової логічної схеми використовується всього одна зі схем: "НЕ - І" - називається NAND, або штрих Шеффера; "НЕ - АБО" - NOR або стрілка Пірса; "НЕ - І - АБО" - NORAND.

Електронні технології і елементи, що застосовуються в ЕОМ

Електронні технології і елементи, на базі яких створювалися ЕОМ, багаторазово змінювалися. Машини першого покоління будувалися на електронних лампах, другого покоління - на дискретних напівпровідникових приладах (діодах і тріодах - транзисторах), третьої і наступних поколінь - на інтегральних напівпровідникових схемах. Змінювалися електронні напівпровідникові елементи по вигляду використовуваних елементів, типу зв'язків між транзисторами. Зокрема, застосовувалися такі системи елементів, як резисторно-діодні, резисторно-транзисторні, ферито-транзисторні, діод-транзисторні, транзисторних-транзисторні. Найбільшого поширення в сучасних інтегральних схемах отримали транзисторних-транзисторні системи елементів (ТТЛ - транзисторних-транзисторна логіка), в яких роль резисторів і діодів виконують транзистори з фіксованими напругою на своїх електродах. У цих системах забезпечується повна однорідність структури мікросхеми - вони містять тільки транзистори, що полегшує технологію їх виготовлення.

Архітектура використовуваних в ЕОМ транзисторів також змінювалася.

У машинах другого покоління застосовувалися біполярні германієві і кремнієві р-n-р-і п - р -n-транзистори, в інтегральних схемах - уніполярні польові МОП-транзистори (МОП - "метал-окисел-напівпровідник" або MOS - Metal-Oxide- Semiconductor).

Польові транзистори. Транзистори цього типу мають три електрода: затвор (аналог бази біполярних транзисторів), джерело (аналог емітера), стік (аналог колектора). Затвор електрично ізольований від інших електродів плівкою оксиду кремнія1, управляє протіканням струму між витоком і стоком не шляхом дифузії електронів (як в п - р - п -транзісторах) або дірок (як в р - п - р-транзисторах), а створюваним ним електростатичним полем. Тому МОП-транзистори і називаються польовими.

Уніполярні транзистори мають більшу швидкодію, ніж біполярні, так як механізм їх роботи не пов'язаний з повільними дифузійними процесами. Елементи транзистора розміщені на плоскій кремнієвій підкладці (рис. 4.7).

Польові транзистори мають кілька різновидів: ПМОП; рМОП; МОП з додатковою симетрією (КМОП-транзистори - компліментарна структура "метал-оксид-напівпровідник", CMOS - Complimentary Metal Oxide Semiconductor).

Транзистори nМОП з каналом n-типу працюють на основі електронної провідності. Транзистори рМОП з каналом p-типу працюють на основі доречний провідності. Швидкодія транзисторів трохи вище, ніж рМОП, оскільки електрони більш рухливі, ніж дірки. Уніполярний транзистор у включеному стані може проводити струм в будь-якому напрямку.

елементи транзистора

Мал. 4.7. елементи транзистора

В даний час масове застосування мають КМОП-транзистори. Симетрія створюється в схемах шляхом спільного використання гсМОП- і рМОП-транзисторів. КМОП-схеми можна з'єднувати між собою для забезпечення стійкості їх роботи. Вони мають менше енергоспоживання, можуть більш щільно пакуватися; виконуватися в більш мініатюрному масштабі мікротехнологій. В даний час КМОП-транзистори застосовуються в системах оперативної пам'яті, флеш-пам'яті. У модулях оперативної пам'яті для зберігання одного біта інформації використовується конденсатор - "паразитная" ємність, наявна між електродами транзистора. Величина заряду цієї ємності визначає зберігається біт: наявність заряду - 0, відсутність заряду - 1 (іноді навпаки). Для збереження заряду ємності необхідна постійна його регенерація з періодом десятки мілісекунд, тому така пам'ять є енергозалежною і називається динамічної.

У КМОП-транзисторах флеш-пам'яті для забезпечення енергонезалежності під основним затвором поміщений ще один, так званий плаваючий затвор (рис. 4.8). Плаваючий затвор має металлизацию для створення на кордоні розділу між металом і напівпровідником потенційного бар'єру Шотки [2] , що дозволяє зберігати заряд конденсатора тривалий час.

КМОП-транзистор флеш-пам'яті

Мал. 4.8. КМОП-транзистор флеш-пам'яті

У з'явилися в 2002 р нових видах пам'яті FeRAM і MRAM використовуються надтонкі магнітні плівки, що наносяться на поверхню кремнієвої підкладки інтегральної схеми. Поверх цієї плівки, виготовленої з ферронікеліевого сплаву - магнітного матеріалу з прямокутною петлею гістерезису, наносяться ще електроди, які створюють при пропущенні через них електричного струму магнітне поле, що намагнічує циліндричні магнітні домени (наномагніти розміром ОД мкм) цієї плівки в потрібному напрямку для запису і зчитування інформації. Магнітні матеріали з прямокутною петлею гістерезису використовуються в усіх зовнішніх запам'ятовуючих пристроях на магнітних і магнітооптичних дисках, магнітних стрічках і в оперативному запам'ятовуючому пристрої (ОЗУ) на магнітних сердечниках (рис. 4.9).

При подачі позитивного імпульсу Н, що перевищує Н с, матеріал намагнічується до значення В т, що перевищує В м Після зняття зовнішнього поля Н матеріал повертається в стан В г (запис "1"). При подачі негативного імпульсу Н, що перевищує Н с, матеріал намагнічується до значення т. Після зняття негативного імпульсу Н матеріал повертається в стан г (запис "0"). При зчитуванні подається негативний імпульс Н і швидкість зміни магнітної індукції матеріалу формує електронний імпульс, амплітуда напруги якого біля виходу визначається формулою

Петля гістерезису магнітного матеріалу

Мал. 4.9. Петля гістерезису магнітного матеріалу:

Н - напруженість магнітного поля; В - магнітна індукція матеріалу; Н с - коерцитивної сила матеріалу; У т - максимальна магнітна індукція; В, - залишкова магнітна індукція

При зчитуванні "О" ДВ - мінімально, і електричний імпульс практично не виникає. При зчитуванні "1" ΔΒ = В г - (-В г ) = 2В г, тобто ΔΒ велике і формується імпульс, що кодує "1".

Планарні мікросхеми. Інтегральні схеми з МОП-транзисторами виготовляються по планарной технології. На поверхню пластини з напівпровідника (кремнію) наноситься захисний шар діелектрика зазвичай шляхом окислення поверхні для утворення плівки з двоокису кремнію. Методами фотолитографии в плівці розкривають мікроокна.

Поверх шару діелектрика наноситься металева плівка, що має в вікнах контакт з поверхнею напівпровідника. Через вікна для створення електронно-доручених переходів потрібної (п або р) полярності проводиться дифузія або Іонна імплантація (легування) матеріалів-донорів або акцепторів-електронів. Кремній є чотирьохвалентним хімічним елементом, для освіти р-областей використовуються тривалентні матеріали (бор, галій, алюміній), а для створення n-областей - п'ятивалентні матеріали (сурма, миш'як, фосфор) [3] . Параметри транзисторів залежать від масштабу технологічного процесу їх виготовлення (масштабу технології), який безперервно зменшується. Ще кілька років тому використовувалися технології 0,15-0,11 мкм, а в 2007 р - вже 0,045 мкм.

У 2003 р концерн IBM запропонував комбіновану мікросхему, в якій на одну і ту ж підкладку "кремній на ізоляторі" (Silicon on insulator, SOI) поміщають одночасно і біполярні, і польові транзистори. Така схема має менше енергоспоживання, а комбіновані чіпи за технологією 0,065 мкм стали випускатися в 2005 р

Зменшення розмірів транзисторів підвищує щільність їх розміщення, зменшує паразитні індуктивності і ємності електродів. Це дозволяє підвищити робочу частоту мікросхеми.

Але при цьому мініатюризація транзисторів [4] призводить до зростання паразитних струмів витоку, а це підвищує енергоспоживання і знижує стійкість роботи схеми. Зниження напруги харчування схеми зменшує розігрів схем тільки частково, а потужність струмів витоку може досягати сотень ват. Зменшення струмів витоку досягається наступними способами: використання мідних провідників замість алюмінієвих; застосування технології напруженого (розтягнутого) кремнію - strained Si (збільшення відстані між атомами кристалічної решітки зменшує питомий електричний опір).

В сучасних мікросхемах товщина ізолюючого шару з діоксиду кремнію (SiO2) становить всього 1,2 нанометра, тобто має товщину приблизно п'яти атомів, тому струм витоку порівняно великий і тепловиділення значне (за оцінками експертів майже 40% тепловиділення обумовлено витоками). Для поліпшення електричних характеристик фірма "Intel" має намір замінити оксид кремнію оксинитрида кремнію (SiON) з іншого діелектричної проникністю. Нова технологія (під кодовим номером 1266), з масштабом 0,045 мкм на базі 300 мм підкладок, мідних з'єднань і напруженого кремнію освоєна в 2007 р, а з масштабом 0,032 мкм планується освоїти в 2009 р (табл. 4.3).

Таблиця 4.3. Порівняльні характеристики нових технологій

код процесу

Р1260

Р1262

PI 264

PI 266

P1268

рік впровадження

2001

2003

2005

2007

2009

Масштаб, мкм

0,13

0,09

0,065

0,045

0,032

метал

провідників

Сі

Сі

Сі

Сі

Сі

Канал

Si

Strained Si

Strained Si

Strained Si

Strained Si

  • [1] Для схеми НЕ символ " 1" всередині може не вказуватися.
  • [2] Діоди Шотки, що використовують цей бар'єр, проводять струм тільки в одному напрямку, а в іншому напрямку навіть створюють замикає потенціал. Ці діоди відомі дуже давно і використовувалися в 1940-1950-і рр. в дуже популярних тоді детекторних радіоприймачах, які не потребують для своєї роботи джерела електричного живлення (необхідну напругу для прослуховування місцевих радіостанцій через навушники якраз і створює потенціал бар'єру Шотки).
  • [3] Дуже перспективна розроблена в університеті Баффало технологія використання "систем, що самоорганізуються" хімічних речовин - матеріалів з мікроскопічними структурами ( "квантовими точками") при виготовленні напівпровідникових приладів. За даними дослідників, з названих речовин навіть при кімнатній температурі мимовільно відбувається реакція, яка веде до створення регулярних мікроскопічних структур з осередками діаметром 0,04 мкм (механізм утворення таких структур подібний утворення емульсії в рідини).
  • [4] У ряді випадків товщина ізолюючих шарів в транзисторі порівнянна з розмірами атомів.
 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук