Міністерство освіти і науки
Республіки Казахстан Карагандинський
державний технічний університет
Кафедра ______________
РЕФЕРАТ
з дисципліни:
Організація обчислювальних систем
Тема:
Великі інтегральні схеми
Керівник _________________
(оцінка) (прізвище, ініціали)
(підпис) (дата)
Студент ( група)
(прізвище, ініціали)
(підпис) (дата)
2009
Одним з найважливіших шляхів вдосконалення обчислювальної техніки є широке застосування в ній досягнень сучасної мікроелектроніки. Успіхи напівпровідникової інтегральної електроніки привели до створення нового класу складних функціональних електронних виробів - великих інтегральних схем, які стали основною елементною базою ЕОМ четвертого покоління (кінець 70-х років).
В одній такій схемі об'ємом всього лише в частки кубічного сантиметра розміщується блок, який займав в ЕОМ першого покоління цілу шафу. В Внаслідок досягнуто суттєве підвищення продуктивності ЕОМ.
Якщо в ЕОМ третього покоління швидкодія досягає 20-30 млн операцій за секунду, то в машинах четвертого покоління продуктивність сягає сотень мільйонів операцій у секунду. Відповідно зростає і обсяг пам'яті. Поряд з удосконаленням традиційних пристроїв пам'яті на магнітних дисках і стрічках створюється пам'ять без рухомих частин. Загальний обсяг зовнішньої пам'яті в великих машинах четвертого покоління перевершує 10 14 символів, що еквівалентно бібліотеці, що складається з декількох мільйонів об'ємистих томів.
БІС створені в результаті природного розвитку інтегральних схем. Передумовою їх появи є освоєння електронною промисловістю планарної технології виготовлення кремнієвих напівпровідникових приладів. Принципова новизна цієї технології полягає в тому, що вона дозволила замінити звичайні дискретні компоненти дифузійними або тонкоплівковими компонентами.
Висока надійність ЕОМ закладається в процесі її виробництва. Перехід на нову елементну базу - надвеликі інтегральні схеми (НВІС) - різко скорочує число використовуваних інтегральних схем, а значить, і число їх з'єднань один з одним. Добре продумані компоновка комп'ютера і забезпечення необхідних режимів роботи (охолоджування, захист від пилу).
Всі сучасні обчислювальні машини будуються на комплексах (Системах) інтегральних мікросхем (ІС). Електронна мікросхема називається інтегральної, якщо її компоненти і з'єднання між ними виконані в єдиному технологічному циклі, на єдиній підставі і мають загальну герметизацію і захист від механічних впливів. Кожна мікросхема являє собою мініатюрну електронну схему, сформовану пошарово в кристалі напівпровідника: кремнію, германію і т.д. До складу мікропроцесорних наборів включаються різні типи мікросхем, але все вони повинні мати єдиний тип міжмодульних зв'язків, заснований на стандартизації параметрів сигналів взаємодії (амплітуда, полярність, тривалість імпульсів і т.п.). Основу набору зазвичай складають великі інтегральні схеми (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС). У найближчому майбутньому слід очікувати появи ультрабольшіе ІС (УБИС). Крім них зазвичай використовуються мікросхеми з малої і середньої ступенем інтеграції (СІС). Функціонально мікросхеми можуть відповідати пристрою, сайтом чи блоку, але кожна з них складається з комбінації найпростіших логічних елементів, що реалізують функції формування, перетворення, запам'ятовування сигналів і т.д.
Всі сучасні ЕОМ будуються на мікропроцесорних наборах, основу яких складають великі (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС). Технологічний принцип розробки і виробництва інтегральних схем діє вже більше чверті століття. Він полягає в пошаровому виготовленні частин електронних схем по циклу "програма - малюнок - схема". За програмами на запилений фоторезісторний шар наноситься малюнок майбутнього шару мікросхеми. Потім малюнок протравливается, фіксується, закріплюється і ізолюється від нових шарів.
На основі цього створюється просторова твердотільна структура. Наприклад, НВІС типу Pentium включає близько трьох з половиною мільйонів транзисторів, що розміщуються в пятислойной структурі. Ступінь мікромініатюризації, розмір кристала ІС, продуктивність і вартість технології безпосередньо визначаються типом літографії. До теперішнього часу домінуючою залишалася оптична літографія, тобто пошарові малюнки на фоторезистори мікросхем наносилися світловим променем. В даний час провідні компанії, що виробляють мікросхеми, реалізують кристали з розмірами приблизно 400-600 мм2 для процесорів (наприклад, Pentium) і 200-400 мм2 - для схем пам'яті. Мінімальний топологічний розмір (товщина ліній) при цьому становить 0,25-0,135 мкм. Для порівняння можна навести такий приклад. Товщина людської волосини становить приблизно 100 мкм. Значить, при такому дозволі на товщині 100 мкм потрібно викреслювати більше двохсот ліній.
Подальші успіхи мікроелектроніки зв'язуються з електронної (Лазерної), іонної і рентгенівської літографією. Це дозволяє вийти на розміри 0,13; 0,10 і навіть 0,08 мкм. Замість раніше використовуваних алюмінієвих провідників у мікросхемах повсюдно починають застосовувати мідні з'єднання, що дозволяє підвищити частоту роботи.
Такі високі технології породжують цілий ряд проблем. Мікроскопічна товщина ліній, порівнянна з діаметром молекул, вимагає високої чистоти використовуваних і напилюваної матеріалів, застосування вакуумних установок і зниження робочих температур. Дійсно, досить потрапляння найменшої порошинки при виготовленні мікросхеми - і вона потрапляє в шлюб. Тому нові заводи по виробництву мікросхем являють собою унікальне обладнання, що розміщується в "чистих приміщеннях класу 1", мікросхеми в яких транспортуються від устаткування до обладнання в замкнутих надчистих міні-атмосферах класу 1000. Міні-атмосфеpa створюється, наприклад, надчистих азотом або іншим інертним газом при тиску КГ4 Торр.
В даний час основою побудови всіх мікросхем була і залишається КМОП-технологія (комплементарні схеми, тобто спільно використовують п- і р-переходи в транзисторах із структурою "метал - оксид - напівпровідник").
Однак поява БІС породило дуже серйозну проблему-"що покласти на підкладку "або, іншими словами, яким чином реалізувати пристрій на схемах з таким колосальним кількістю елементів.
Першим і досить природним вирішенням цієї проблеми стало виготовлення так званих замовних схем, що розробляються кожен раз спеціально для використання в конкретній апаратурі. В той же час проектування замовних БІС - вельми тривалий і трудомісткий процес, використовує складні людино-машинні системи автоматизованого проектування. Тому розробка і виготовлення замовлених ВІС можуть бути економічно виправдані тільки при масовому виробництві апаратури, в якій ці схеми застосовуються.
Хорошою альтернативою рекомендованим БІС з'явилися мікропроцесорні набори - сукупність великих інтегральних схем, що реалізують складні функції цифрової апаратури. З цих "цеглин" досить просто будуються мікрокомп'ютери (мікро-ЕОМ), що отримали виключне розвиток і знайшли широке застосування в різноманітних системах управління.
Мікропроцесор є універсальним пристроєм, здатним реалізувати яку логічну функцію. Однак програмна реалізація логіки управління здійснюється порівняно повільно, мікропроцесор часто не здатний забезпечити необхідну швидкодію. У зв'язку з цим в даний часом широкого поширення набули програмовані БІС з матричної структурою, серед яких особливе місце займають програмовані логічні матриці (ПЛМ) - великі інтегральні схеми, що поєднують регулярність структури напівпровідникового пристрою, що запам'ятовує (ЗП) з універсальністю мікропроцесора. ПЛМ володіє істотними перевагами перед мікропроцесором при реалізац...
