Где можно использовать компьютеры на чипе
Историки делят эпохи существования человечества на «века», которым дается имя самого важного для людей материала. Был Каменный век , его сменил Бронзовый , затем пришел черед Железного . Сегодня все чаще говорят о том, что и Железный век подошел к концу. Его сменил Век кремния . Ведь без кристаллов этого удивительного химического элемента наша цивилизация была бы совершенно другой.
Мы не знали бы ни персональных компьютеров, ни мобильных телефонов размером со спичечный коробок, ни игровых приставок, да и множества других электронных устройств, широко применяемых в быту, науке и промышленности.
Именно из кремния делаются так называемые микрочипы (или, говоря по-научному, интегральные микросхемы ), которые позволяют в доли секунды проводить сложнейшие вычисления и обрабатывать огромные объемы информации, записанной в виде цифрового кода.
Что такое компьютерный чип?
Как Вы знаете, современный компьютер работает с двоичным кодом – с информацией, записанной в виде всего лишь двух цифр – единицы и нуля. Поэтому вычислительная машина представляет собой очень сложную комбинацию множества простейших элементов – переключателей, каждый из которых может занимать всего лишь два положения: «1″ и «0″.
Уровни проектирования
- Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
- Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
- Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
- Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
- Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
- Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.
В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.
Технологический процесс
При изготовлении микросхем используется фотопроцесс, при этом схему формируют на подложке, обычно из диоксида кремния, полученной термическим оксидированием кремния. Ввиду малости размера элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосы фотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости c рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления.
В 70-х годах ширина полосы составляла 2-8 мкм, в 80-х была улучшена до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы рентгеновского диапазона обеспечивали 0,18 мкм.
В 90-х годах из-за нового витка «войны платформ» экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 90-х процессоры (например ранние Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм. Потом их уровень поднялся до 0,25-0,35 мкм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+,
В конце 90-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с шириной полосы около 0,08 мкм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. Она постепенно продвигалась к нынешнему уровню, совершенствуя второстепенные детали. По обычной технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 0,09 мкм.
Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,045 мкм. Есть и другие микросхемы давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности видеопроцессоры и flash-память фирмы Samsung — 0,040 мкм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы 2006 году так и не сбылись.
Сейчас альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 0,032 мкм.
Определения терминов
Система SoC объединяет требуемые электронные схемы различных компьютерных компонентов на одном интегрированном чипе (IC). SoC - это полная электронная система подложки, которая может содержать аналоговые, цифровые, смешанные или радиочастотные функции. Ее компоненты обычно включают графический процессор (GPU), центральный процессор (CPU), который может быть многоядерным, и системную память (ОЗУ).
Поскольку система на кристалле включает в себя как аппаратное, так и программное обеспечение, она потребляет меньше энергии, имеет лучшую производительность, требует меньше места и более надежна, чем многочиповые системы. Большинство системных чипов сегодня входят в мобильные устройства, такие как смартфоны и планшеты.
Система на кристалле специально разработана для соответствия стандартам включения требуемых электронных схем многочисленных компьютерных компонентов на один интегрированный чип. Вместо системы, которая собирает несколько микросхем и компонентов на печатную плату, SoC создает все необходимые схемы в одном устройстве.
Задачи SoC включают более высокие затраты на прототипирование, архитектуру и более сложную отладку. IC не являются экономически эффективными. Однако это может измениться по мере развития технологии.
Корпуса микросхем
Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.
Бескорпусная микросхема — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку.
Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями!
В российских корпусах расстояние между выводами измеряется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. У импортных микросхем расстояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах идентичные корпуса уже несовместимы.
В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.
Технологический процесс
При изготовлении микросхем используется фотопроцесс, при этом схему формируют на подложке, обычно из диоксида кремния, полученной термическим оксидированием кремния. Ввиду малости размера элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосы фотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости c рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления.
В 70-х годах ширина полосы составляла 2-8 мкм, в 80-х была улучшена до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы рентгеновского диапазона обеспечивали 0,18 мкм.
В 90-х годах из-за нового витка «войны платформ» экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 90-х процессоры (например ранние Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм. Потом их уровень поднялся до 0,25-0,35 мкм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+,
В конце 90-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с шириной полосы около 0,08 мкм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. Она постепенно продвигалась к нынешнему уровню, совершенствуя второстепенные детали. По обычной технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 0,09 мкм.
Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,045 мкм. Есть и другие микросхемы давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности видеопроцессоры и flash-память фирмы Samsung — 0,040 мкм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы 2006 году так и не сбылись.
Сейчас альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 0,032 мкм.
Как производят кремниевые чипы?
Производство кремниевых чипов – это очень сложный высокотехнологичный процесс. Для начала необходимо получить чистый кремний. Естественно, в природе такой не встречается . Поэтому для начала добывается кварц (природный минерал, в котором кремний соединен с кислородом), который затем переплавляется и очищается от мельчайших примесей. В расплавленный кварц опускается микроскопический кристалл кремния. Он служит своего рода «семенем», вокруг которого вырастает большой, цилиндрической формы кремниевый кристалл.
Производство чистого кремния.
С помощью сверхпрочной алмазной пилы кремниевый цилиндр распиливается на тончайшие (не более четверти миллиметра) кружочки. По-английски их называют «вэйферами», что можно перевести на русский язык как «вафелька».
Чистый кремний не пропускает ток, но если на него напылить микроскопические частички металла, то отдельные его области приобретут свойства полупроводника и вокруг этих областей можно построить микроскопические транзисторы. То, что происходит с «вафелькой» далее больше напоминает не сборку электронной аппаратуры, а засветку и проявку фотобумаги.
На кремниевую пластину наносят специальную эмульсию (фоторезист), чувствительную к ультрафиолетовым лучам. Затем сверху накладывают «маску» – нечто вроде пленки-негатива . Темные участки «маски» соответствуют тем местам на будущем чипе, куда необходимо нанести микроскопические частички электронных элементов. Светлые участки указывают на те части кремниевой пластинки, которые должны остаться нетронутыми. Теперь «вэйфер» облучают через «маску» ультрафиолетом. Происходит фотохимическая реакция сродни той, что рождает фотографию на пленке или фотобумаге. Облученные ультрафиолетовыми лучами участки приобретают особые свойства. Эмульсия здесь становится очень стойкой и не растворяется в кислоте. А фрагменты эмульсии, скрывшиеся под темными участками «маски», могут быть легко смыты кислотой. Что собственно и делается.
Теперь кремниевую «вафельку» разогревают в печке и обдувают раскаленным газом, содержащим нужные металлические примеси. Там, где после «кислотной ванны», остался чистый кремний, напыление остается на кремниевой пластинке. В остальных местах кремний прикрыт слоем эмульсии, которой придал стойкость ультрафиолет. Наконец, специальным раствором смываются и эта эмульсия , и у нас остается абсолютно чистая кремниевая пластина с нанесенным в соответствии со схемой напылением.
Чип готов? Ничего подобного! Для того, чтобы кремениевая пластина превратилась наконец в настоящую электронную схему, в которой были бы соединены друг с другом тысячи и миллионы электронных компонентов, всю описанную выше операцию придется повторить много раз: новый слой эмульсии, новая схема-«маска», новое засвечивание ультрафиолетом и новое напыление. Так, слой за слоем формируется электронный чип.
Обычно на одном круглом «вэйфере» напыляются сразу много будущих чипов, имеющих квадратную форму. Когда все готово, «Вафельку» разрезают алмазной пилой. К каждой из полученных кремниевых пластинок приваривают ножки-контакты, и заключают получившийся чип в пластиковый корпус. Теперь осталось смонтировать его на печатной плате устройства, для которого чип предназначен, и – в работу.
Более 24 тыс. различных устройств, более тысячи различных производителей – огромная фрагментация — и это только на Android… Как в таком море вариантов выбрать то, что нужно именно вам?
На картинке выше – один прямоугольник соответствует одной модели смартфона, чем больше площадь, тем больше количество на сетях мобильных операторов в мире. Источник картинки: здесь.
Выбор смартфона стал затруднителен как никогда. Лет десять назад дизайн смартфонов имел куда большее значение, каждый новый девайс был уникален внешне – погуглите, посмотрите, например, как выглядели «мультимедийные компьютеры» Nokia N-series! (Например). Это были реальные произведения инженерного искусства. И в первую очередь, дизайн помогал определиться с выбором. Сейчас — другое дело: все смартфоны сенсорные, почти без кнопок, без движущихся частей, прямоугольные, с ходу не просто отличить.
Поражает воображение инженера сейчас другое. Небольшой параллелепипед в руке стал очевидно самым плотно укомплектованным собранием патентов. Еще в 2012 году «в области технологий изготовления смартфонов разным фирмам по всему миру принадлежит около 250 000 патентов. Трудно сказать, сколько из них может иметь отношение к одному отдельно взятому мобильному устройству, однако, в среднем, современный коммуникатор таит в себе около 110 000 патентов».
Очевидно, что используемых патентов будет становиться только больше. Области используемых патентов постоянно расширяются: это, в первую очередь, беспроводные технологии и компьютерные науки. Большая их часть – это алгоритмы, реализованные в чипсете. Современный чипсет смартфона – главный компонент, определяющий возможности устройства, его отличительные характеристики, те самые фишки, интересные дельты.
Процессор, мобильный процессор, система на кристалле (SoC), чип, чипсет, СБИС, платформа – это близкие термины, которые широко используются, не будем сейчас углубляться в отличия: кому что больше нравится, кто как привык говорить — пусть так и будет.
Главное, что хотелось бы автору подчеркнуть в этой статье, это то что, используемый чипсет – крайне важный фактор, на который имеет смысл обращать внимание при выборе вашего нового смартфона. Упоминаемые выше сотни тысяч патентов в первую очередь реализованы в нем.
Самые современные чипы – это, действительно, инженерное чудо. Задумайтесь: миллиард транзисторов в кремниевом квадратике размером, например, 14*14мм! Автор в своем детстве занимался в радиокружке и тогда примерно такого же размера был один транзистор – выглядел как маленькая пуговица с тремя ножками — такая вот миниатюризация за 30 лет. Сейчас при производстве флагманских чипсетов уже используется технология 10 нм, а это значит, что один транзистор тоньше человеческого волоса в 2500 раз.
Вычислительная система современного чипсета является гетерогенной, т.е. распределенной, неоднородной, разные типы задач распределены между несколькими специализированными процессорными подсистемами (CPU, GPU, ISP, DSP, DPU, VPU, NPU), модемом сотовой связи и интегрированной в чипсет памятью.
Каждая из составляющих чипсета заслуживает отдельного разговора. Например, от того, какой модем стоит в чипсете вашего смартфона, зависит по каким стандартам сотовой связи он может работать, какой функционал поддерживает. В качестве примера предлагаю посмотреть здесь. В этой статье чуть подробнее поговорим только о CPU, точнее только о часто обсуждаемой теме ядер, а затем перейдем собственно к рекомендациям по выбору чипсета.
Несколько слов о количестве ядер. Часто приходится слышать в салоне сотовой связи, что чем больше, тем лучше. Это конечно не так. Вот лишь несколько соображений:
— Для начала, говоря про ядра, мы должны понимать, что речь идет об одной из частей системы на кристалле – а именно, о центральном процессоре (CPU). CPU занимается общим управлением чипсета и приложениями от 3-х сторон.
— Закон Амдала никто не отменял. «Закон Амдала» (англ. Amdahl's law, иногда также Закон Амдаля-Уэра) — иллюстрирует ограничение роста производительности вычислительной системы с увеличением количества вычислителей. Джин Амдал сформулировал закон в 1967 году, обнаружив простое по существу, но непреодолимое по содержанию ограничение на рост производительности при распараллеливании вычислений: «В случае, когда задача разделяется на несколько частей, суммарное время её выполнения на параллельной системе не может быть меньше времени выполнения самого длинного фрагмента».
— Пока в программах для смартфонов мало параллелизма. Главная специфика работы смартфона — это работа в режиме прерываний. В спящем режиме задействованы ядра с минимальным энергопотреблением.
— Больше ядер – больше энергопотребление, а это один из самых критичных параметров для смартфона.
— До недавнего времени во всех iPhone-ах было всего 2 ядра CPU, в iPad-е – 3 ядра CPU. Этого числа ядер было вполне достаточно и для премиального сегмента. Что уж говорить о среднем или бюджетном вариантах.
— Еще одна мысль – те вендоры, которые делают больше ядер, не имеют возможности разместить что-то другое т.к. физический размер чипсета имеет ограничения.
— Самые крутые на сегодня флагманские процессоры для смартфонов – октакоры, т.е. восьмиядерные CPU, — пока больше не нужно.
— В общем, просто гонка за большим числом ядер в смартфонах бессмысленна (разве что для целей маркетинга, но это уже другая история). Важен баланс, важно, как специализированные задачи распределены между подсистемами. Рано или поздно ядерное безумие уляжется.
— Другая тема – это тактовая частота центрального процессора. Сейчас максимальная частота флагманов достигает 2.45 ГГц и нужна для непродолжительных высоких нагрузок (например, при обработке 4К30 видео, при передаче данных по сети LTE со скоростями до 1 Гбит/с) или для задач бенчмаркинга (требует отдельной статьи, поэтому опустим «для ясности»).
Итак, на какие чипы стоит обратить внимание? Ниже представлена сводная таблица. Процессоры компании Qualcomm есть во всех ценовых сегментах. Это однозначный лидер. Модемные чипы компании (т.е. без AP — процессора приложений) также используются и в iPhone-ах. По остальным производителям картина не однозначна, что-то удается лучше, над чем-то еще предстоит поработать.
Компании / сегменты SoC | Бренд | Премиальный | Высокий | Средний | Низкий | Модем |
---|---|---|---|---|---|---|
Ориентировочная цена смартфона | 30К+ руб | 20-30К руб | 10-20К руб | 3-10К руб | ||
Qualcomm | Snapdragon | + | + | + | + | + |
Intel | Atom | +\- | ||||
Samsung | Exynos | + | + | + | ||
HiSilicon | Balong | +\- | + | |||
Mediatek | Helio | +\- | + | + | ||
Spreadtrum | + |
Система на кристалле представляет собой небольшой чип со всеми необходимыми электронными компонентами и схемами. В англоязычной литературе употребляется термин SoC (system-on-a-chip). Система в устройстве обнаружения звука может включать в себя АЦП, аудиоприемник, память, микропроцессор и логическое управление ввода-вывода пользователя на одном чипе.
В медицине система SoC, основанная на nano-роботах, может выступать в качестве программируемых антител для отсрочки ранних недугов. Видеоустройства на основе чипа могут помочь слепым людям, позволяя им получать изображение, а аудиоустройства SoC могут сделать глухих людей слышащими. Система на кристалле развивается вместе с другими технологиями, такими как SOI (кремний на изоляторе).
Содержание
Технология изготовления
- Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).
- Плёночная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
- толстоплёночная интегральная схема;
- тонкоплёночная интегральная схема.
Содержание
История
Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.
В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.
Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.
Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ "Пульсар") коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).[1]
Серии микросхем
Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.
Специфические названия микросхем
Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel 4004, которая выполняла функции процессора. Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров фирма персональные компьютеры).
Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметико-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем. Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трех микросхем, который получил термин чипсет.
Микропроцессоры со встроенными контроллерами памяти и ввода-вывода, ОЗУ и ПЗУ, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.
История
Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.
В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.
Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.
Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ "Пульсар") коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).[1]
Классификация
Уровни проектирования
- Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
- Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
- Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
- Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
- Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
- Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.
В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.
Назначение
Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).
Цифровые схемы
- Логические элементы
- Буферные преобразователи
- Модули памяти
- (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
- Однокристальные микрокомпьютеры
- ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы
Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:
- Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
- Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 — 5 В) и низкого (0 — 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
- Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.
Компоненты мобильных устройств
Система на кристалле SoC может иметь различные элементы, что зависит от его назначения. Поскольку подавляющее большинство SoC используются на смартфонах, предлагаем список наиболее распространенных компонентов таких устройств:
- CPU - ядро внутри SoC. Это часть, которая отвечает за принятие большинства расчетов и решений. Она получает входные данные от других аппаратных компонентов и программного обеспечения и обеспечивает соответствующие выходные ответы. Без CPU не было бы SoC. Большинство процессоров сегодня имеют два, четыре или восемь ядер внутри.
- Графический процессор - сокращен для модуля графической обработки. Он также называется видеочипом. GPU отвечает за 3D-игры, а также за аккуратные визуальные переходы, которые видны в интерфейсе любого устройства, использующего однокристальную систему.
- RAM Memory - все вычислительные устройства нуждаются в работе памяти. Чтобы иметь возможность запускать приложения и данные программного обеспечения, необходимо их использовать. Чтобы это сделать, система на чипе должна иметь оперативную память.
- ROM - любое устройство должно иметь память ПЗУ для хранения программного обеспечения, такого как прошивка или операционная система, в которой он работает.
- Модем - смартфон не будет телефоном, если он не сможет подключиться к радиосетям. Модемы заботятся о сетевом или сотовом подключении.
Помимо процессора и памяти, другие SoC могут включать интерфейсы PCIe, предназначенные для подключения радиоприемопередатчиков, интерфейсов SATA или USB-устройств.
Классификация
Корпуса микросхем
Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.
Бескорпусная микросхема — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку.
Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями!
В российских корпусах расстояние между выводами измеряется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. У импортных микросхем расстояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах идентичные корпуса уже несовместимы.
В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.Отличие SoC и CPU
Когда-то давно многие думали, что ЦП полностью изолирован от монитора. Теперь многие понимают, что CPU - это только крошечная часть, а компьютер состоит из множества частей.
Система на чипе представляет собой электронную печатную плату, которая объединяет все необходимые компоненты в компьютере и других электронных системах. Они включают в себя графический процессор, центральный процессор, память, схемы управления питанием, контроллер USB, беспроводные радиоприемники и многое другое. Эти компоненты паяны на материнской плате, чем отличаются от обычных компьютеров, части которых могут быть заменены в любой момент времени.
Можно сказать, что система на чипе (SoC) - это то, что происходит, когда Vector from Despicable Me использует «сжатие луча» на полноценном компьютере. Благодаря силе миниатюризации система на чипе представляет собой функциональный компьютер, который был сжат для установки на одном кремниевом чипе.
Транзистор
Путь к совмещению производительности и компактности был открыт еще в 1947 году , когда в США был создан первый в истории транзистор . Этот миниатюрный по сравнению с лампами и реле прибор мог тоже выполнять функцию электронного переключателя. По управляющему сигналу он то пропускал, то не пропускал электрический ток.
Что из себя представляет транзистор? Это соединение трех кусочков материалов с особенными свойствами электропроводимости. Такие материалы называются полупроводниками.
Транзисторы совершили настоящую революцию в электронике. Телевизоры и радиоприемники выпускались теперь не на громоздких и потребляющих много энергии лампах, а на транзисторах – компактных и экономичных. Но развитие компьютерной техники даже небольшие по размеру транзисторы не устраивали. Для достижения все более высокой производительности в конструкцию компьютера необходимо встроить не пару десятков транзисторов, как в каком-нибудь радиоприемнике, а десятки и сотни тысяч, миллионы. Чем больше этих транзисторов и чем меньше они по размеру, тем быстрее считает ЭВМ .
Интегральные микросхемы
И следующей революцией в электронике стало появление интегральных микросхем. Интегральная микросхема, или чип – это собранная в одном миниатюрном электронном приборе схема, составленная из огромного множества транзисторов и диодов, каждый из которых имеет микроскопические размеры. Например, центральный процессор современного персонального компьютера содержит в себе от 731 млн. до 2.27 миллиардов транзисторов, в зависимости от модели .
Технология создания микрочипов зародилась в 50-е годы 20 века, но промышленное производство микросхем началось в 70-е годы. С тех пор чипы становились все совершеннее и сегодня уже невозможно представить себе электронику без маленьких тоненьких кремниевых пластинок с огромными возможностями.
Аналоговые схемы
Крупнейшие производители мобильных чипов
Предлагаем краткий обзор систем на кристалле от крупнейших производителей: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA и Broadcom. Qualcomm, NVIDIA и MediaTek производят и продают в основном мобильные SoC для аппаратных компаний, которые используют их в производимых ими устройствах. Broadcom выпускает SoC, которые используются в маршрутизаторах и сетевых устройствах, а Samsung и Huawei не только создают SoC, но и являются двумя крупнейшими компаниями в мире по их использованию.
Нельзя сказать, какая система на чипе лучшая. Проектирование и развитие систем на кристалле продвигается настолько быстро, что ко времени сравнения вариант уже будет устаревшим. Однако нужно помнить, что лучший SoC, возможно, не самый хороший для процессоров или самых быстрых беспроводных передач.
Интегра́льная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочи́п (англ. chip — тонкая пластинка, отколотая, отсечённая от чего-л. - первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2009 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.
Контроль качества
Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.
Технологии изготовления
Степень интеграции
В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):
- Малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле.
- Средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле.
- Большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле.
- Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле.
- Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле.
- Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.
В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.
Внешние интерфейсы
SoCs включают внешние интерфейсы, как правило, для протоколов связи. Они часто основаны на отраслевых стандартах, таких как USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C и других. Также могут поддерживаться протоколы беспроводной сети, такие как Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN и связь с ближним полем.
При необходимости SoCs включают в себя аналоговые интерфейсы для обработки сигналов. Они могут взаимодействовать с различными типами датчиков или исполнительными механизмами, включая интеллектуальные преобразователи. Также они могут контактировать с конкретными приложениями модулей или быть внутренними для SoC, например, если аналоговый датчик встроен в SoC, а его показания должны быть преобразованы в цифровые сигналы для математической обработки.
Вид обрабатываемого сигнала
- Аналоговые
- Цифровые
- Аналого-цифровые
Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.
Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.
Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.
Преимущества чипованных систем
Основная цель использования SOC в дизайне включает этапы, которые формируют преимущества устройства:
- Размер SOC небольшой, но включает в себя множество функций.
- Гибкость. С точки зрения размера чипа, мощности и форм-фактора, такие системы очень сложно превзойти другим устройствам.
- Эффективность затрат, особенно для конкретных приложений SoC, таких как видеокод.
- Система на чипах бесчисленна. Для продуктов большой емкости они упрощают защиту ресурсов и стоимость инженерных решений.
Однако у столь превосходного устройства имеются и недостатки:
- Большие временные затраты. Процесс проектирования SoC может занять от 6 до 12 месяцев.
- Ограниченность ресурсов.
- Если разрабатывается продукт с низким уровнем громкости, потребуется высококлассное оборудование. Возможно, лучше будет использовать аппаратное обеспечение другого производителя, потратить время и ресурсы для прикладного программного обеспечения.
Системы на чипах имеют большой недостаток в том, что они вообще не могут быть адаптируемыми. Другими словами, они не могут быть модернизированы. Система на чипе, как правило, умирает такой же, какой она была создана. В ней ничего не меняется в течение всего срока службы. Если в приборе что-то ломается внутри, нельзя отремонтировать или изменить только эту часть. Приходится заменить весь SoC.
Аналогово-цифровые схемы
-
и АЦП
- Трансиверы (например, преобразователь интерфейса RS422)
- Модуляторы и демодуляторы
- Радиомодемы
- Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
- Трансиверы Fast
- Dial-Up модемы
- Приёмники цифрового ТВ
- Сенсор оптической мыши
Цифровые схемы
- Логические элементы
- Буферные преобразователи
- Модули памяти
- (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
- Однокристальные микрокомпьютеры
- ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы
Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:
- Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
- Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 — 5 В) и низкого (0 — 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
- Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.
Где используются чипы
SoC, как правило, крошечный, не занимает много места внутри электронного устройства, что делает его идеальным решением для небольших устройств. Он объединяет множество разных частей на одном чипе, это означает, что его производителю не нужно тратить время, деньги и ресурсы на прокладку значительных физических частей и создание длинных цепей, что, в свою очередь, означает более низкое производство и расходы. Системы на чипе намного эффективнее, чем с выделенными отдельными компонентами, такими как настольный ПК или ноутбук. SoC может работать от батарей в течение более длительного времени.
Традиционные подходы к электронике касались создания систем, работающих на отдельных независимых частях. Такими примерами являются компьютеры и ноутбуки. Однако постоянная миниатюризация всех вещей вокруг означает, что они все больше полагаются на более мелкие, более энергоэффективные системы на чипах. Смартфоны, планшеты и даже устройства IoT (Internet of Things) доказывают, что системы на чипах являются важной частью будущего всей электроники.
Типы логики
Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.
-
Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):
-
-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа; -логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).
-
— резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе; — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шотки. — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие. — интегрально-инжекционная логика.
КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где небходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.
Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.
Конструкция чипов
Системы на кристалле должны иметь полупроводниковые блоки памяти для выполнения своих вычислений. В зависимости от применения SoC память может образовывать иерархию памяти и кэша. На рынке мобильных компьютеров это обычное явление, но во многих маломощных встроенных микроконтроллерах этого не требуется.
Технологии памяти для SoC включают в себя постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), электрически стираемое программируемое ПЗУ (EEPROM) и флэш-память. Как и в других компьютерных системах, ОЗУ можно подразделить на относительно более быструю, но более дорогостоящую статическую RAM (SRAM) и более медленную, но более дешевую динамическую RAM (DRAM), как в системе на кристалле, фото которого представлено в нашей статье.
Аналоговые схемы
Аналогово-цифровые схемы
-
и АЦП
- Трансиверы (например, преобразователь интерфейса RS422)
- Модуляторы и демодуляторы
- Радиомодемы
- Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
- Трансиверы Fast
- Dial-Up модемы
- Приёмники цифрового ТВ
- Сенсор оптической мыши
Цифровые процессоры сигналов
Процессоры цифрового сигнала (DSP) часто включаются в системы на кристалле. Они выполняют обработку сигналов операции для датчиков, приводов, сбор данных, анализ данных и обработку мультимедиа. DSP-ядра обычно имеют очень длинное командное слово (VLIW) и однонаправленную архитектуру наборов инструкций, поэтому поддаются использованию параллелизма.
4DSP-ядра чаще всего содержат инструкции для конкретных приложений и являются процессорами набора руководств для конкретных приложений ASIP. Такие инструкции соответствуют специализированным функциональным устройствам.
Типичные инструкции DSP включают в себя многократное накопление, быстрое преобразование Фурье, плавное умножение и свертку. Как и в других компьютерных системах, SoCs требуют источники синхронизации для генерации тактовых сигналов, управления выполнением функций и предоставления временного контекста приложениям обработки сигналов, если это необходимо.
Популярными источниками времени являются кварцевые генераторы и петли с фазовой синхронизацией. SoC также включают регуляторы напряжения и схемы управления питанием.
Серии микросхем
Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.
Вид обрабатываемого сигнала
- Аналоговые
- Цифровые
- Аналого-цифровые
Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.
Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.
Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.
Назначение
Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).
Контроль качества
Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.
Технология изготовления
- Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).
- Плёночная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
- толстоплёночная интегральная схема;
- тонкоплёночная интегральная схема.
Проектирование систем на кристалле
Концептуально существует три уровня стратегии проектирования для функциональных кристаллов. Первый уровень - это симметрия точечной группы. Она диктует наличие или отсутствие определенного физического отклика и анизотропии кристалла. Следовательно, его можно использовать для поиска и экранирования новых функциональных кристаллов.
Симметрия точечной группы является необходимым требованием, но недостаточным условием для функционального кристалла. Чтобы система на кристалле СНК проявляла конкретное свойство, он должен быть дополнен вторым уровнем стратегии проектирования - структурой или симметрией пространственной группы.
Наконец, чтобы повысить или оптимизировать ответ, существует третий уровень стратегии проектирования молекулярной инженерии, который включает в себя тонкую настройку электронных или магнитных структур строительных блоков атомов, молекул и кластеров кристалла.
Степень интеграции
В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):
- Малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле.
- Средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле.
- Большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле.
- Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле.
- Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле.
- Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.
В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.
Необходимые параметры микрочипирования
System on Chip SoC - очень сложные устройства. Например, система Snapdragon 600 от Qualcomm на чипе - это SoC, которая использовалась на старом смартфоне Samsung Galaxy.
Люди хотят иметь возможность использовать свои смартфоны для пользования Интернетом, прослушивания музыки, просмотра видео, использования GPS-навигации, съемки фотографий и видеороликов, игр, доступа к социальным сетям. Все эти функции обеспечиваются не только хорошим процессором, но и мощным графическим чипом System on Chip SoC, быстрым беспроводным чипсетом Bluetooth, поддержкой подключения к сетям 4G. Все это должно работать с наименьшим потреблением энергии.
Решение заключается в миниатюризации всего, что может быть установлено. Устройства должны быть максимально сжаты и размещены компактно на меньшей поверхности. Следствием этого является более высокая вычислительная мощность и более низкое энергопотребление. Это именно то, что предлагает SoC.
Устройство Intel Pentium N3710
Pentium N3710 является 64-разрядной четырехъядерной системой на чипе, разработанном корпорацией Intel и введенном в эксплуатацию в начале 2015 года под номером 3710. Производятся на основе Airmont микроархитектуры. Этот чип работает на частоте 1,6 ГГц с режимом до 2,57 ГГц. SoC включает графический процессор HD Graphics 405, который имеет 16 исполнительных блоков и работает на частоте 400 МГц
Подробности архитектуры системы на кристалле n3710:
- Дизайнер – Intel.
- Производитель – Intel.
- Номер модели - N3710.
- Номер части - FH8066501715927
- Область применения – мобильный.
- Выпуск - март 2015 г.
- "Пентиум" серии N3000.
- Частота - 1600 МГц.
- Частота вращения - 2567 МГц (1 ядро).
- Тип шины - IDI CPUID 406C4.
- Микроархитектура – Airmont.
- Основное имя - Braswell.
- Технология - CMOS.
- Размер слова - 64-битный.
- Максимальные процессоры - однопроцессорный.
- Максимальная память - 8 G.
- Температура ПП 0 C - 90 C.
- Интегрированная графическая информация GPU - HD Graphics 405.
- Максимальная частота - 700 МГц.
Специфические названия микросхем
Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel 4004, которая выполняла функции процессора. Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров фирма персональные компьютеры).
Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметико-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем. Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трех микросхем, который получил термин чипсет.
Микропроцессоры со встроенными контроллерами памяти и ввода-вывода, ОЗУ и ПЗУ, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.
Интегра́льная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочи́п (англ. chip — щепка, обломок, фишка) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2009 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.
Вакуумные электронные лампы
На заре компьютерной эры в качестве таких переключателей использовались реле (управляемые электричеством выключатели) и вакуумные электронные лампы . Нетрудно себе представить, сколько ламп или реле нужно было соединить в одну систему, чтобы получить даже не очень быстрый или производительный по нынешним временам компьютер. ЭВМ прежних времен занимали огромные залы высотой в несколько этажей , а считали и обрабатывали данные медленней, чем самый захудалый настольный компьютер наших дней.
Вакуумные электронные лампы.
Технологии изготовления
Типы логики
Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.
-
Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):
-
-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа; -логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).
-
— резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе; — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шотки. — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие. — интегрально-инжекционная логика.
КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где небходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.
Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.
Читайте также: