Что такое электроника? Принципы работы
радиоустройств, радиокомпоненты, принципиальные схемы, электрические
колебания и связь, цифровое ТВ, интегральные схемы и многое другое...
Дата обновления
08.06.2016
Посвящение в радиоэлектронику, массовая радио-библиотека
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
Статистика
Чем меньше, тем быстрее!
Лет десять-пятнадцать назад конструкторы, всеми силами боровшиеся
за повышение быстродействия ЭВМ, увидели некий "физический предел",
превзойти который, казалось бы, невозможно. Дело в том, что ЭВМ
второго поколения, построенные на дискретных элементах
(транзисторах, диодах) или интегральных микросхемах с малой степенью
интеграции (транзисторные и диодные сборки, отдельные логические
элементы), имели все еще внушительные размеры. А сигналы проходят по
соединительным проводникам с определенной скоростью, в любом случае
не большей, чем скорость света. Этот факт установили еще до создания
теории относительности.
Пусть машинный зал имеет длину 15 м, а сигналы распространяются
(примем идеализированные условия) по прямым проводникам со скоростью
света. Тогда, чтобы сигналу пересечь весь зал и вернуться обратно,
понадобится около 0,1 мкс. Если принять это время за время
выполнения одной операции, то скорость работы ЭВМ составит не более
10 млн. операций в секунду. На самом деле скорость будет намного
ниже, поскольку необходимо еще время для переключения логических
элементов, записи-считывания и т.п.
Сейчас проблема уже не стоит так остро, поскольку размеры ЭВМ все
уменьшаются. Описанная в предыдущем разделе микро-ЭВМ с
микропроцессором и периферийными модулями уже выполняется на одном
кристалле размером не более нескольких сантиметров (вместе с
выводами). Ее быстродействие определяется лишь инерционностью
транзисторов. Так развитие элементной базы опровергло выводы,
казавшиеся фундаментальными.
Одновременно с микроминиатюризацией снижается и потребление энергии
логическими элементами микросхем. И это имеет вполне разумное
физическое объяснение. Переключающий транзистор срабатывает тем
быстрее, чем быстрее происходит перезарядка емкости, нагружающей его
коллекторный переход. Она состоит из емкости самого перехода,
емкости соединительных проводников и емкости электродов других
транзисторов, подключенных к данной точке. С уменьшением размеров
как транзисторов, так и проводников емкость существенно уменьшается.
При этом требуется меньший ток для ее перезарядки в течение того же
самого времени.
Начиная с 1960 года за каждые пять лет минимальные размеры
элементов интегральных схем уменьшались в два раза, и сейчас они
достигли 4 мкм. Поговаривают о достижении оптического предела,
возникающего при фотолитографическом процессе изготовления
микросхем. Ведь оптическое изображение в принципе не может иметь
детали мельче, чем длина используемой световой волны (около 0,5
мкм). Этому мешает явление дифракции, не позволяющее получать резко
очерченные контуры. Внутренняя задержка сигналов в транзисторах
микросхем, имеющих очень тонкую базу, приближается к одной
наносекунде (1 не = Ю-9 с). Столь малые размеры элементов позволили
создать очень сложные СБИС. За 15 лет сложность микросхем неимоверно
увеличилась.
Скорость увеличения емкости ЗУ также очень высока. Если в 1978 году
изготавливались кристаллы оперативной памяти емкостью 16К байт, то
сейчас речь идет о памяти емкостью до 250К. Кстати, букву К надо
объяснить. Это не приставка "кило", означающая увеличение в 1000 раз
(вспомните килограмм, километр), но по значению очень близка к ней.
Число 1000 в двоичной системе выражается плохо, а вот 1024 =
210-очень удобное число. Поэтому 250К байт означает 250 1024 байт.
Теперь интенсивно развивается технология изготовления новых типов ЗУ,
использующих другие принципы. Например, на ПЗС приборах с зарядовой
связью. Основа ПЗС-линейка полевых МОП-транзисторов с изолированными
затворами. Окисел служит хорошим изолятором, поэтому на затворе
каждого транзистора заряд может храниться очень долго (часами). В
зависимости от знака или величины заряда данный транзистор может
быть либо открыт, либо закрыт (состояние 0 или 1). Транзисторы в
линейке расположены так тесно и хитро, что, когда на общую шину
линейки подается тактовый импульс, заряд с затвора одного
транзистора передается на затвор следующего, и т. д. Получается
готовый регистр сдвига, в который можно записать и поразрядно
считать двоичное "слово" -любой длины.
Вместо магнитной памяти на ферритовых кольцах с 1977 года начали
использовать ЗУ на цилиндрических магнитных доменах. В этих
устройствах каждая ячейка памяти имеет микроскопические размеры, и
плотность записи получается очень высокой. Емкость одного кристалла
памяти может достигать 100К бит. Еще большие, поистине
фантастические возможности в области устройств памяти открывает
использование оптических средств.
