تتطور تكنولوجيا الكمبيوتر بسرعة كبيرة. هناك تخطيطات وتطورات جديدة يجب أن تلبي المتطلبات المتزايدة باستمرار. واحدة من أكثر الأشياء إثارة للاهتمام هي الدائرة المتكاملة الكبيرة جدًا. ما هذا؟ لماذا لديها مثل هذا الاسم؟ نحن نعلم كيف ترمز VLSI ، ولكن كيف تبدو عمليًا؟ أين تستخدم؟
تاريخ التنمية
في أوائل الستينيات ، ظهرت أول دوائر دقيقة لأشباه الموصلات. منذ ذلك الحين ، قطعت الإلكترونيات الدقيقة شوطًا طويلاً من العناصر المنطقية البسيطة إلى الأجهزة الرقمية الأكثر تعقيدًا. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الحديثة المعقدة ومتعددة الوظائف أن تعمل على بلورة واحدة من أشباه الموصلات ، تبلغ مساحتها سنتيمترًا واحدًا مربعًا.
كان يجب أن يكون لديهم بطريقة مايصنف ويميز. سميت الدائرة المتكاملة الكبيرة جدًا (VLSI) بهذا الاسم لأنه كانت هناك حاجة إلى تعيين دائرة كهربائية دقيقة ، حيث تجاوزت درجة التكامل 104 عنصرًا لكل شريحة. حدث ذلك في أواخر السبعينيات. في غضون سنوات قليلة ، أصبح من الواضح أن هذا هو الاتجاه العام للإلكترونيات الدقيقة.
إذن ، سميت الدائرة المتكاملة الكبيرة جدًا بهذا الاسم لأنه كان من الضروري تصنيف جميع الإنجازات في هذا المجال. في البداية ، تم بناء الإلكترونيات الدقيقة على عمليات التجميع وشاركت في تنفيذ وظائف معقدة من خلال الجمع بين العديد من العناصر في شيء واحد.
ثم ماذا بعد؟
في البداية ، كان جزء كبير من الزيادة في تكلفة المنتجات المصنعة بالتحديد في عملية التجميع. المراحل الرئيسية التي يجب أن يمر بها كل منتج هي تصميم وتنفيذ والتحقق من التوصيلات بين المكونات. الوظائف ، وكذلك أبعاد الأجهزة التي تم تنفيذها في الممارسة ، محدودة فقط بعدد المكونات المستخدمة وموثوقيتها وأبعادها المادية.
لذا إذا قالوا إن بعض الدوائر المتكاملة الكبيرة جدًا تزن أكثر من 10 كجم ، فهذا ممكن تمامًا. السؤال الوحيد هو عقلانية استخدام مثل هذه الكتلة الكبيرة من المكونات.
تطوير
أود أن أجعل استطرادا صغيرا آخر. تاريخياً ، كانت الدوائر المتكاملة تنجذب إلى صغر حجمها ووزنها. على الرغم من أنه بالتدريج ، مع التطور ، كانت هناك فرص للتقريب أكثر من أي وقت مضىوضع العناصر. وليس فقط. يجب أن يُفهم هذا ليس فقط على أنه موضع مضغوط ، ولكن أيضًا على أنه تحسن في المؤشرات المريحة ، وزيادة في الأداء ومستوى من الموثوقية التشغيلية.
يجب إيلاء اهتمام خاص لمؤشرات المواد والطاقة ، والتي تعتمد بشكل مباشر على مساحة البلورة المستخدمة لكل مكون. هذا يعتمد إلى حد كبير على المادة المستخدمة. في البداية ، تم استخدام الجرمانيوم لمنتجات أشباه الموصلات. لكن مع مرور الوقت ، حل محله السيليكون ، الذي يتمتع بخصائص أكثر جاذبية.
ما الذي يتم استخدامه الآن؟
لذلك نحن نعلم أن الدائرة المتكاملة الكبيرة جدًا سميت بهذا الاسم لأنها تحتوي على العديد من المكونات. ما هي التقنيات المستخدمة حاليًا لإنشائها؟ غالبًا ما يتحدثون عن المنطقة دون الميكرون العميقة ، مما يجعل من الممكن تحقيق الاستخدام الفعال للمكونات في 0.25-0.5 ميكرون ، والإلكترونيات النانوية ، حيث تُقاس العناصر بالنانومتر. علاوة على ذلك ، يتحول الأول تدريجياً إلى تاريخ ، وفي الثاني يتم إجراء المزيد والمزيد من الاكتشافات. فيما يلي قائمة مختصرة بالتطورات التي يتم إنشاؤها:
- دوائر سيليكون كبيرة جدًا. لديهم الحد الأدنى من أحجام المكونات في المنطقة الفرعية العميقة.
- أجهزة غير متجانسة عالية السرعة ودوائر متكاملة. إنها مبنية على أساس السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم بالإضافة إلى عدد من المركبات الأخرى.
- تقنية الأجهزة النانوية ، والتي يجب ذكر الطباعة الحجرية النانوية منها بشكل منفصل.
على الرغم من الإشارة إلى الأحجام الصغيرة هنا ، إلا أنه لا داعي للخطأ في تحديد أي منهادارة متكاملة كبيرة جدًا في نهاية المطاف. يمكن أن تختلف أبعادها الكلية بالسنتيمتر ، وفي بعض الأجهزة المحددة حتى بالمتر. الميكرومتر والنانومتر هما فقط حجم العناصر الفردية (مثل الترانزستورات) ، ويمكن أن يكون عددها بالمليارات!
على الرغم من هذا العدد ، فقد تزن دائرة متكاملة واسعة النطاق للغاية عدة مئات من الجرامات. على الرغم من أنه من الممكن أن يكون ثقيلًا جدًا لدرجة أنه حتى الشخص البالغ لا يستطيع رفعه بمفرده.
كيف يتم إنشاؤها؟
دعونا ننظر في التكنولوجيا الحديثة. لذلك ، لإنشاء مواد أحادية البلورة فائقة النقاء من أشباه الموصلات ، بالإضافة إلى الكواشف التكنولوجية (بما في ذلك السوائل والغازات) ، فأنت بحاجة إلى:
- ضمان ظروف عمل فائقة النظافة في منطقة معالجة ونقل الرقائق.
- تطوير العمليات التكنولوجية وإنشاء مجموعة من المعدات ، حيث سيكون هناك تحكم آلي في العملية. هذا ضروري لضمان الجودة المحددة للمعالجة ومستويات منخفضة من التلوث. على الرغم من أننا يجب ألا ننسى الأداء العالي والموثوقية للمكونات الإلكترونية التي تم إنشاؤها.
هل هي مزحة عندما يتم إنشاء العناصر ، والتي يتم حساب حجمها بالنانومتر؟ للأسف ، من المستحيل على أي شخص إجراء عمليات تتطلب دقة هائلة.
ماذا عن المنتجين المحليين؟
لماذاهل الدائرة المتكاملة الكبيرة جدًا مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالتطورات الأجنبية؟ في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، احتل الاتحاد السوفياتي المرتبة الثانية في تطوير الإلكترونيات. ولكن من الصعب للغاية الآن على المنتجين المحليين التنافس مع الشركات الأجنبية. ليس كل شيء سيئا على الرغم من
وهكذا ، فيما يتعلق بإنشاء منتجات معقدة كثيفة العلم ، يمكننا أن نقول بثقة أن الاتحاد الروسي لديه الآن الظروف والموظفين والإمكانات العلمية. هناك عدد غير قليل من المؤسسات والمؤسسات التي يمكنها تطوير مختلف الأجهزة الإلكترونية. صحيح ، كل هذا موجود في حجم محدود نوعًا ما.
لذلك ، غالبًا ما يحدث عندما يتم استخدام "المواد الخام" عالية التقنية للتطوير ، مثل ذاكرة VLSI والمعالجات الدقيقة ووحدات التحكم التي تم تصنيعها في الخارج. ولكن في الوقت نفسه ، يتم حل بعض مشكلات معالجة الإشارات والحسابات برمجيًا.
على الرغم من أنه لا ينبغي الافتراض أنه يمكننا حصريًا شراء وتجميع المعدات من مكونات مختلفة. هناك أيضًا إصدارات محلية من المعالجات وأجهزة التحكم والدوائر المتكاملة واسعة النطاق والتطورات الأخرى. لكن ، للأسف ، لا يمكنهم التنافس مع قادة العالم من حيث فعاليتهم ، مما يجعل تنفيذها التجاري صعبًا. لكن استخدامها في الأنظمة المحلية حيث لا تحتاج إلى الكثير من الطاقة أو تحتاج إلى الاهتمام بالموثوقية أمر ممكن تمامًا.
PLCs للمنطق القابل للبرمجة
هذا هو نوع تطوير واعد مخصص بشكل منفصل. هم خارج المنافسة في تلك المجالات التي تحتاج إلى إنشاءأجهزة متخصصة عالية الأداء تركز على تنفيذ الأجهزة. بفضل هذا ، يتم حل مهمة موازاة عملية المعالجة ويزيد الأداء عشرة أضعاف (عند مقارنته بالحلول البرمجية).
بشكل أساسي ، تحتوي هذه الدوائر المتكاملة واسعة النطاق على محولات وظيفية متعددة الاستخدامات وقابلة للتكوين تتيح للمستخدمين تخصيص الاتصالات فيما بينهم. وكل ذلك على بلورة واحدة. والنتيجة هي دورة بناء أقصر ، ومزايا اقتصادية للإنتاج على نطاق صغير ، والقدرة على إجراء تغييرات في أي مرحلة من مراحل التصميم.
تطوير الدوائر المتكاملة الكبيرة للغاية المنطقية القابلة للبرمجة يستغرق عدة أشهر. بعد ذلك ، يتم تكوينها في أقصر وقت ممكن - وهذا كله بأقل مستوى من التكاليف. هناك مصنعون وبنيات وقدرات مختلفة للمنتجات التي يقومون بإنشائها ، مما يزيد بشكل كبير من القدرة على إكمال المهام.
كيف يتم تصنيفها؟
يستخدم عادة لهذا:
- القدرة المنطقية (درجة التكامل).
- تنظيم الهيكل الداخلي
- نوع العنصر القابل للبرمجة المستخدم.
- هندسة محول الوظيفة.
- وجود / غياب ذاكرة الوصول العشوائي الداخلية.
كل عنصر يستحق الاهتمام. لكن للأسف حجم المقال محدود ، لذلك سننظر فقط في المكون الأكثر أهمية.
ما هوالقدرة المنطقية؟
هذه هي الميزة الأكثر أهمية للدوائر المتكاملة واسعة النطاق جدًا. يمكن أن يكون عدد الترانزستورات فيها بالمليارات. لكن في الوقت نفسه ، فإن حجمها يساوي جزءًا بائسًا من الميكرومتر. ولكن نظرًا لتكرار الهياكل ، يتم قياس السعة المنطقية بعدد البوابات اللازمة لتنفيذ الجهاز.
لتعيينهم ، يتم استخدام مؤشرات بمئات الآلاف والملايين من الوحدات. كلما زادت قيمة السعة المنطقية ، زادت الفرص التي يمكن أن توفرها لنا دائرة متكاملة واسعة النطاق.
حول الأهداف المنشودة
تم إنشاء VLSI في الأصل لأجهزة الجيل الخامس. في تصنيعهم ، تم توجيههم من خلال بنية متدفقة وتنفيذ واجهة ذكية بين الإنسان والآلة ، والتي لن توفر فقط حلًا منهجيًا للمشكلات ، بل ستوفر أيضًا لماشا الفرصة للتفكير المنطقي والتعلم الذاتي والرسم المنطقي الاستنتاجات.
كان من المفترض أن يتم الاتصال بلغة طبيعية باستخدام نموذج الكلام. حسنًا ، تم تنفيذه بطريقة أو بأخرى. ولكن لا يزال بعيدًا عن الإنشاء الكامل الخالي من المشاكل لدوائر متكاملة كبيرة جدًا ومثالية. لكننا ، نحن البشر ، نتقدم بثقة. تلعب أتمتة تصميم VLSI دورًا كبيرًا في هذا.
كما ذكرنا سابقًا ، هذا يتطلب الكثير من الموارد البشرية والوقت. لذلك ، لتوفير المال ، يتم استخدام الأتمتة على نطاق واسع. بعد كل شيء ، عندما يكون من الضروري إقامة اتصالات بين الملياراتالمكونات ، حتى فريق من عدة عشرات من الناس سوف يقضون سنوات في ذلك. في حين أن الأتمتة يمكن أن تفعل ذلك في غضون ساعات ، إذا تم وضع الخوارزمية الصحيحة.
يبدو المزيد من الخفض إشكاليًا الآن ، حيث نقترب بالفعل من حدود تقنية الترانزستور. بالفعل ، أصغر الترانزستورات لا يتجاوز حجمها بضع عشرات من النانومترات. إذا قللناها عدة مئات من المرات ، فسنواجه ببساطة أبعاد الذرة. بلا شك هذا جيد ، لكن كيف نمضي قدمًا من ناحية زيادة كفاءة الإلكترونيات؟ للقيام بذلك ، عليك الانتقال إلى مستوى جديد. على سبيل المثال ، لإنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية.
الخلاصة
كان للدوائر المتكاملة فائقة الحجم تأثير كبير على تطور البشرية والإمكانيات المتوفرة لدينا. لكن من المحتمل أن تصبح عفا عليها الزمن قريبًا وسيحل محلها شيء مختلف تمامًا.
بعد كل شيء ، للأسف ، لقد اقتربنا بالفعل من حدود الاحتمالات ، ولم تعتاد البشرية على الوقوف دون حراك. لذلك ، من المحتمل أن يتم منح الدوائر المتكاملة الكبيرة للغاية مرتبة الشرف ، وبعد ذلك سيتم استبدالها بتصميمات أكثر تقدمًا. لكن في الوقت الحالي ، نستخدم جميعًا VLSI باعتباره ذروة الخلق الحالي.
