ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА – ЧАСТЬ 1

November 21, 2011 by admin Комментировать »

Я. А. ФЕДОТОВ

 

В первые годы после изобретения транзистора (1948 г.) отношение к нему специалистов в области радиотехники, вычислительной техники и связи было довольно скептическим. Так, «Краткий политехнический словарь», изданный в 1956 г., определял электронику как область электротехники, основанную на использовании явлений прохождения электричества через вакуум и газы, а в качестве основных приборов, используемых в электронике, называл электронные лампы и ионные приборы.

За истекший период первое поколение электронной аппаратуры сменилось вторым, основанным на использовании дискретных транзисторов, а второе поколение, в свою очередь, уступает место третьему, в основе которого лежат интегральные микросхемы (ИС).

Объем производства дискретных транзисторов во всем мире превышает в настоящее время 10 млрд. шт. Приблизительно на таком же уровне находится и объем производства интегральных микросхем. В результате можно считать, что ежегодно мировая промышленность выпускает (и, соответственно, использует в электронной аппаратуре) тысячи миллиардов транзисторов. Это приблизительно на три порядка больше объема производства электронных ламп в период расцвета первого поколения.

Если учесть к тому же относительно короткие сроки службы электронных ламп, их частую замену в эксплуатируемом оборудовании и значительно более высокую надежность транзисторов (особенно в интегральных микросхемах), то трудно подсчитать, сколько же транзисторов «трудится» сегодня одновременно в самых различных электронных устройствах, начиная от наручных часов, транзисторных приемников и магнитофонов, портативных калькуляторов и кончая большими электронно-вычислительными комплексами.

Сегодня стало возможным на одном кристалле создавать микро-ЭВМ с высоким быстродействием, малым потреблением мощности и с малыми массой и габаритами. Для сравнения укажем, что первая ЭВМ на электронных лампах имела 18 000 ламп, весила 30 т, потребляла 140 кВт электроэнергии, а время ее работы между отказами измерялось часами. Современная микро-ЭВМ размещается на кристалле площадью не более 50 мм2, потребляет мощность в несколько ватт, а время ее безотказной работы составляет уже не часы, а годы.

Число транзисторов на одном кристалле (степень интеграции) непрерывно растет. В портативных электронных калькуляторах число транзисторов на одном кристалле в зависимости от сложности выполняемых функций может насчитывать от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч. Схема памяти на 1 кбит насчитывает около 7000 транзисторов, а на 4 кбита — соответственно около 28 000 транзисторов. Имеются сообщения об образцах ИС, на одном кристалле которых размещается несколько сотен тысяч транзисторов.

Итак, степень интеграции непрерывно возрастает, и это приводит к возникновению целого ряда физических, технических, производственных и организационных проблем. И одной из таких проблем является проблема вертикальной интеграции и универсальности изделий интегральной электроники.

Достигнутые и все повышающиеся уровни интеграции приводят к тому, что современную сверхбольшую интегральную схему (СБИС) уже следует рассматривать не как комплектующее изделие, а как сложное электронное устройство. Процесс ее создания требует проработки вопросов схемотехники и системотехники, рационального размещения узлов и ячеек на кристалле, технологической совместимости изготовления тех или иных частей устройства, технологии, экономики производства и т. п.

Транзистор был весьма универсальным прибором с точки зрения его использования, а разработчик транзистора ориентировался в основном на его электрические параметры и имел самое общее представление о возможных вариантах его применения. С развитием техники ИС и повышением степени интеграции универсальность использования все больше и больше утрачивалась. Разрабатывалось изделие для конкретных условий применения. Естественно, что вопросы применения выступают здесь на первый план и первое слово принадлежит системотехнику. Схемотехник выбирает основные компоненты схемотехники, разрабатывает технологические принципы изготовления изделия в целом. Таким образом, над созданием СБИС работает целый коллектив, интегрируются усилия специалистов самого различного профиля. Конечной же целью их совместных усилий является создание технологии. Этот процесс получил название вертикальной интеграции и не мог не затронуть и организационно-административной сферы.

При высоких уровнях интеграции разработчики электронной аппаратуры встали перед необходимостью экспериментальной проверки проектируемых СБИС, для чего оказались необходимы технологические участки.

С другой стороны, предприятия-изготовители интегральных схем оказались вынужденными осваивать область схемотехники и системотехники для того, чтобы быть в состоянии выполнять заказы потребителя на разработку тех или иных СБИС. Выполнение таких заказов оказывается дорогостоящим и отнимает много времени и сил. Себестоимость разработанных изделий в значительной степени определяется объемом производства. Так, по американским данным, себестоимость снижается на 15% при увеличении объема производства в два раза. Проводить разработку СБИС, не имея твердой гарантии на значительные объемы их сбыта, становится невыгодным для специализированного предприятия. При малых объемах производства изготовитель электронной аппаратуры вынужден сам обеспечивать себя СБИС. Так появилось разделение на схемы общего и частного применения.

Повышение степени интеграции превращает СБИС в изделия, обладающие малой универсальностью, предназначенные для узкого конкретного применения. Конечно, расширяя функциональные возможности ИС, можно повысить степень их универсальности. Однако этот путь будет неизбежно связан с существенным усложнением и удорожанием ИС, а это не позволит существенно расширить степень их применяемости и объем производства.

Вообще говоря, аналогичная ситуация (универсальность или узкая специализация?) складывалась в вычислительной технике и привела к появлению микропроцессоров.

Изучение эффективности использования ЭВМ конкретными пользователями показало, что возможности ЭВМ обычно используются на единицы процентов. В связи с этим появилась идея существенного упрощения процессора за счет замены логики жесткой памятью. Таким путем можно было создавать упрощенный вариант ЭВМ, приспособленный для выполнения конкретного, относительно небольшого круга задач.

Помимо упрощения и удешевления набора кристаллов для такой ЭВМ, получившего название микропроцессорного набора, ожидалось также и повышение надежности. В то время появилась возможность, заменив десятки логических ИС одной ИС памяти, существенно снизить число паяных или сварных соединений. Поскольку и в настоящее время такие соединения являются одной из основных причин отказов ИС, то это позволяло также повысить и надежность. Предполагалось, что одно запоминающее устройство на 16 кбит может заменить 100… 200 логических ИС, при этом можно исключить около 1800 соединений и повысить надежность в 5… 10 раз.

Однако и в этом случае «срабатывала» тенденция к повышению уровня интеграции, вставала проблема объема производства и себестоимости и, как следствие, проблема универсальности. Повышение универсальности приводило естественно к увеличению объемов производства.

Все эти факторы толкали изготовителя микропроцессоров к отказу от первоначальной концепции максимальной замены логических ИС памятью, к разработке все более и более универсальных процессоров, сначала 4- и 8-разрядных, затем 16- и 32-разрядных.

В результате можно считать, что се^дня под микропроцессором понимают центральный процессор ЭВМ, выполненный чаще всего на одном кристалле. Следующий шаг был сделан от однокристальных микропроцессоров к однокристальным микро-ЭВМ.

Наиболее массовым типом в настоящее время являются наиболее простые 4-разрядные микропроцессоры. В 1980 г., например, в капиталистических странах их было выпущено 150 млн; 8-разрядных микропроцессоров было выпущено 48 млн. В то же время для ряда применений, например для проектирования СБИС, необходимо уже 32-разрядное устройство.

Одно время складывалась мнение, что развитие микропроцессорной техники снимает проблему вертикальной интеграции. Микропроцессор многие представляли в виде некоего универсального комплектующего изделия, которое в состоянии полностью обеспечить системотехников, т. е. будет пригодно для решения любых задач. Если рассмотреть эту проблему более внимательно, то несостоятельность подобной точки зрения окажется очевидной уже хотя бы потому, что сам микропроцессор является весьма сложным изделием, для разработки которого необходимо привлечение системотехников и схемотехников.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты