Комп'ютерні технології розвиваються надзвичайно швидко. З'являються все нові компонування і розробки, які повинні задовольнити постійно зростаючі вимоги. Один з найбільш цікавих моментів - це надвелика інтегральна схема. Що це таке? Чому у неї така назва? Ми знаємо, як розшифровується НВІС, але що вона являє собою на практиці? Де вони використовуються?

Історія розвитку

На початку шістдесятих років з'явилися перші напівпровідникові мікросхеми. З тих пір мікроелектроніка пройшла значний шлях від простих логічних елементів до складних цифрових пристроїв. Сучасні складні і багатофункціональні комп'ютери можуть працювати на одному напівпровідниковому монокристалі, площа якого становить один квадратний сантиметр.


Необхідно було їх якось класифікувати і розрізняти. Надвелика інтегральна схема (НВІС) названа так тому, що виникла потреба позначати мікросхему, у яких ступінь інтеграції перевищувала 104 елемента на один кристал. Це відбулося в кінці сімдесятих. Вже через кілька років стало зрозуміло, що це – генеральний напрямок для мікроелектроніки. Отже, надвелика інтегральна схема названа так тому, що потрібно було класифікувати всі досягнення в цій сфері. Спочатку мікроелектроніка будувалася на операціях складання і займалася реалізацією складних функцій об'єднуючи безліч елементів в чомусь одному.

А що потім?

Спочатку значна частина приросту вартості продукції, що виготовляється була саме в процесі складання. Основні етапи, які доводилося проходити кожному виробу – це проектування, виконання і перевірка з'єднань між компонентами. Функції, а також розміри пристроїв, що реалізовувалися на практиці, обмежуються виключно кількістю застосовуваних компонентів, їх надійністю і фізичними розмірами.


Тому, якщо кажуть, що якась надвелика інтегральна схема важить більше 10 кг, це цілком можливо. Питання виключно в раціональності використання такого великого блоку компонентів.

Розвиток

Хочеться зробити ще один невеликий відступ. Історично так склалося, що в інтегральних схемах залучали їх невеликі розміри і маса. Хоча поступово в міру розвитку з'являлися можливості все більш тісної розміщення елементів. І не тільки. Під цим варто розуміти не тільки компактне розміщення, але і поліпшення ергономічних показників, збільшення характеристик та рівня надійності функціонування. Особливу увагу слід приділяти матеріальним і енергетичним показникам, що прямо залежать від використовуваної на один компонент площі кристала. Багато в чому це залежало від використовуваного речовини. Спочатку для напівпровідникової продукції застосовували германій. Але з часом його витіснив кремній, який має більш привабливими характеристиками.

Що зараз використовують?

Отже, ми знаємо, що надвелика інтегральна схема названа так тому, що містить безліч компонентів. Які ж технології зараз використовуються при їх створенні? Найчастіше говорять про глибоку субмикронной області, яка дозволяє досягти ефективного використання компонентів в 025-05 мкм, і наноелектроніці, де елементи вимірюються в нанометрах. Причому перша поступово стає історією, а у другій робляться всі великі відкриття. Ось короткий перелік розробок, що створюються:

Надвеликі кремнієві схеми. У них в глибокій субмикронной області передбачені мінімальні розміри компонентів.

Надшвидкісні гетеропереходние прилади та інтегральні схеми. Будуються на основі кремнію, германію, арсеніду галію, а також ряду інших сполук.

Технологія нанорозмірних приладів, з яких окремо слід згадати нанолитографию.

Хоча тут і вказані невеликі розміри, але не треба плекати ілюзій про те, якою є кінцева надвелика інтегральна схема. Габаритні розміри в неї можуть бути змінені сантиметрами, а в деяких специфічних пристроях навіть метрами. Мікрометри та нанометри – це всього лише розмір окремих елементів (наприклад, транзисторів), а їх кількість може обчислюватися мільярдами! Незважаючи на таке число, може бути, що надвелика інтегральна схема важить кілька сотень грамів. Хоча можливо й таке, що вона буде настільки важким, що навіть доросла людина не зможе самостійно підняти.

Як створюються?

Розглянемо сучасну технологію. Отже, для створення надчистих напівпровідникових монокристалічних матеріалів, а також технологічних реагентів (у тому числі рідин і газів) необхідно:

Забезпечити надчисті виробничі умови зоні обробки і транспортування пластин.

Розробити технологічні операції і створити комплекс обладнання, де буде присутній автоматизований контроль процесів. Це необхідно для забезпечення заданої якості обробки і низького рівня забруднення. Хоча не слід забувати і про високої продуктивності та надійності створюваних електронних компонентів.

Жарти, коли створюються елементи, розмір яких обчислюється нанометрах? Людині, на жаль, виконати операції, які потребують феноменальною точності, не під силу.

Що з вітчизняними виробниками?

Чому надвелика інтегральна схема міцно асоціюється з зарубіжними розробками? На початку 50-х років минулого століття СРСР посідав друге місце в розробці електроніки. Але зараз вітчизняним виробникам надзвичайно складно конкурувати з іноземними компаніями. Хоча не все так погано. Так, щодо створення складної наукомісткої продукції можна впевнено сказати, що в Російській Федерації зараз є і умови, і кадри, і науковий потенціал. Є досить багато підприємств та установ, що можуть розробляти різні електронні пристрої. Правда, все це існує в досить обмеженому обсязі. Так, часті разі, коли для розробок використовується високотехнологічне «сировина» начебто НВІС-пам'яті, мікропроцесорів і контролерів, що були виготовлені за кордоном. Але при цьому вирішуються певні задачі обробки сигналів та здійснення обчислень програмним шляхом. Хоча не слід вважати, що ми можемо виключно закуповувати і з різних компонентів збирати техніку. Існують і вітчизняні варіанти процесорів, контролерів, надвеликих інтегральних схем та інших розробок. Але, на жаль, вони не можуть змагатися з лідерами світу по своїй ефективності, що робить скрутним їх комерційну реалізацію. Але ось використовувати їх у вітчизняних системах, де не потрібно багато потужностей чи слід подбати про надійність, – це цілком можливо.

Надвеликі інтегральні схеми програмованої логіки

Це окремо виділяється перспективний вид розробок. Вони поза конкуренцією в тих областях, де потрібно створювати високопродуктивні спеціалізовані пристрої, орієнтовані на апаратну реалізацію. Завдяки цьому вирішується завдання розпаралелювання процесу обробки і підвищується продуктивність в десятки разів (якщо порівнювати з програмними рішеннями). По суті, ці надвеликі інтегральні схеми володіють універсальними налаштованим функціональними перетворювачами, що дозволяє користувачам налаштовувати між ними зв'язку. І це все на одному кристалі. Як результат – більш короткий цикл створення, економічний виграш для дрібносерійного виробництва, а також можливість внести зміни на довільному етапі конструювання. Розроблення надвеликих інтегральних схем програмованої логіки займає кілька місяців. Після цього вони за найкоротший час налаштовуються – і це все з мінімальним рівнем витрат. Існують різні виробники, архітектура і можливості створюваної ними продукції, що значно підвищує можливість виконання поставлених завдань.

За якими ознаками їх класифікують?

Зазвичай для цього використовується:

Логічна ємність (ступінь інтеграції).

Організація внутрішньої структури.

Тип застосовуваного програмного елемента.

Архітектура функціонального перетворювача.

Наявність/відсутність внутрішньої оперативної пам'яті.

Кожен пункт заслуговує уваги. Але на жаль, розмір статті обмежений, тому ми розглянемо тільки найважливішу складову.

Що собою являє логічна ємність?

Це найбільш важлива характеристика для надвеликих інтегральних схем. Число транзисторів у них може становити мільярди. Але при цьому їх розмір дорівнює жалюгідною частки мікрометра. Але через надмірності структур логічну ємність вимірюють у кількості вентилів, що потрібно для реалізації пристрою. Для їх позначення використовуються показники в сотні тисяч і мільйонів одиниць. Чим вище значення логічної ємності, тим більш широкі можливості нам може запропонувати надвелика інтегральна схема.

Про переслідуваних цілях

НВІС спочатку створювалися для машин п'ятого покоління. При їх виготовленні орієнтувалися на потокову архітектуру і реалізацію інтелектуального людино-машинного інтерфейсу, що дозволить не тільки забезпечити системне вирішення завдань, але і надасть маше можливість логічно мислити, самонавчатися і робити логічні висновки. Передбачалося, що спілкування буде вестися на природному мовою з використанням мовної форми. Що ж, в тій чи іншій мірі це було реалізовано. Але все ж до повноцінного безпроблемного створення ідеальних надвеликих інтегральних схем ще далеко. Але ми, людство, до цього впевнено рухаємося. У цьому велику роль грає автоматизація проектування НВІС. Як вже раніше згадувалося, для цього необхідно витратити безліч людських і часових ресурсів. Тому, щоб заощадити, широко використовується автоматизація. Адже коли необхідно встановити з'єднання між мільярдами складових, навіть команда з декількох десятків чоловік витратить на це роки. Тоді як автоматика може це зробити в лічені години, якщо закласти правильний алгоритм. Зараз подальше зменшення представляється досить проблематичним, оскільки ми вже підходимо до межі транзисторної технології. Вже зараз самі невеликі транзистори мають розмір у кілька десятків нанометрів. Якщо зменшити в кілька сотень разів, то ми просто упремося в габарити атома. Безсумнівно, це добре, але як рухатися далі в плані збільшення ефективності електроніки? Для цього доведеться виходити на новий рівень. Наприклад – зайнятися створенням квантових комп'ютерів.

Висновок

Надвеликі інтегральні схеми зробили істотний вплив на розвиток людства і наявних у нас можливостей. Але цілком ймовірно, що скоро вони застаріють і на заміну їм прийде щось зовсім інше. Адже, на жаль, ми вже наближаємося до межі можливостей, а стояти на місці людство не звикло. Тому, ймовірно, надвеликим інтегральним схемами будуть надані повинні почесті, після чого їх замінять на більш досконалі розробки. Але поки ж ми всі використовуємо НВІС як вершину існуючого творіння.