Сбис процессор какое поколение
Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре. Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100‑200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда. В то время в рядовом микропроцессоре уровень интеграции соответствовал плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при этом достигалась очень хорошая надежность.
К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй – персональные ЭВМ.
Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.
В машинах четвертого поколения сделан отход от архитектуры фон Неймана, которая была ведущим признаком подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров.
Многопроцессорные ЭВМ, в связи с громадным быстродействием и особенностями архитектуры, используются для решения ряда уникальных задач гидродинамики, аэродинамики, долгосрочного прогноза погоды и т.п. Наряду с суперкомпьютерами в состав четвертого поколения входят многие типы мини-ЭВМ, также опирающиеся на элементную базу из сверхбольших интегральных схем.
III. Персональные компьютеры
Хотя и персональные компьютеры относятся к ЭВМ 4-го поколения, все же возможность их широкого распространения, несмотря на достижения технологии СБИС, оставалась бы весьма небольшой (рис.4). Если бы в 1970 г. не был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру — Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intеl сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Iпtеl-4004, который был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор Intеl-4004 размером менее 3 см был
Рис.4 IBM 5110 весивший 23 кг, позиционировался в 1975 году как портативный компьютер по цене $14000.
Вначале микропроцессоры использовались в различных специализированных устройствах, например, в калькуляторах. Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intе1-8008 персонального компьютера, т.е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцессора Intе1-8080. Этот компьютер продавался по цене около 500 дол. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом: впервые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины. Покупатели снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Мicrosoft) создали для компьютера “Альтаир” интерпретатор языка Ваsic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров.
Успех Альтаир-8800 заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы, разработанные для деловых применений. Появились и коммерчески распространяемые программы, например, программа для редактирования текстов Word Star и табличный процессор VisiСаlс (соответственно 1978 и 1979 гг.). Эти (и многие другие) программы сделали покупку персональных компьютеров весьма выгодным для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты , составлять документы и т.д. Использование же больших компьютеров для этих целей было слишком дорого.
Первая персональная ЭВМ была разработана в 1973 г. во Франции. Ее автор Труонг Тронг Ти. Первые экземпляры были восприняты как дорогостоящая экзотическая игрушка. Массовое производство и внедрение в практику персональных компьютеров связывают с именем Стива Джобса, руководителя и основателя фирмы "Эпл компьютер", 1977 г. наладившей выпуск персональных компьютеров "Apple" (Рис.5).
Создатели Apple II Стефен Возняк и Стивен Джобс хорошо знали, что это – революция в компьютеростроении. Пластиковый корпус, цветной телевизор-дисплей, игровой порт и бытовой магнитофон в качестве «жесткого диска», да и цена $1298 очень и американцам и европейцам. Поэтому 1977 год многими по праву считается началом новой эры, поскольку как символизирует логотип Apple, запретный плод был надкушен…
В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IВМ— ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IВМ решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как мелкий эксперимент — что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер “с нуля”, а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.
Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intе1-8088. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.
Если бы IВМ РС был сделан так же, как другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года, и мы давно бы уже о нем забыли. Действительно, кто сейчас помнит о самых замечательных моделях телевизоров, телефонов или даже автомобилей пятнадцатилетней давности!
Однако с компьютерами IВМ РС получилось по-другому. Фирма IВМ не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IВМ РС были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IВМ РС, хотя и лишил фирму IВМ возможности единолично пользоваться плодами этого успеха.
Заключение
Итак, в своей работе я попыталась рассказать о истории развития компьютера. Помимо этого также развивался и рынок периферийных устройств (принтеров, сканеров и т.д.), рынок мониторов, рынок программного обеспечения. Поэтому компьютер занимает очень важное место в нашей жизни. На предприятиях внедряются новые автоматизированные линии, новые станки с программируемыми контроллерами, высвобождаются тяжелые рабочие места, поэтому производство развивается интенсивнее с применением компьютерной техники, т.е. компьютеры выполняют работу вместо человека.
К сожалению, невозможно в рамках реферата охватить всю историю компьютеров. Можно было бы еще долго рассказывать о том, как в маленьком городке Пало-Альто (штат Калифорния) в научно-исследовательском центре Xerox PARK собрался цвет программистов того времени, чтобы разработать революционные концепции, в корне изменившие образ машин, и проложить дорогу для компьютеров конца XX века. Как талантливый школьник Билл Гейтс и его друг Пол Аллен познакомились с Эдом Робертсом и создали удивительный язык БЕЙСИК для компьютера Altair, что позволило разрабатывать для него прикладные программы. Как постепенно менялся облик персонального компьютера, появились монитор и клавиатура, накопитель на гибких магнитных дисках, так называемых дискетах, а затем и жесткий диск. Неотъемлемыми принадлежностями стали принтер и «мышь». Можно было бы рассказать и о невидимой войне на компьютерных рынках за право устанавливать стандарты между огромной корпорацией IBM, и молодой Apple, дерзнувшей с ней соревноваться, заставившей весь мир решать, что же лучше Macintosh или PC? И о многих других интересных вещах, происходивших совсем недавно, но ставших уже историей.
Для многих мир без компьютера – далекая история, примерно такая же далекая, как открытие Америки или Октябрьская революция. Но каждый раз, включая компьютер, невозможно перестать удивляться человеческому гению, создавшему это чудо.
Однако возможности IВМ РС - совместимых персональных компьютеров по обработке информации все же ограничены, и не во всех ситуациях их применение оправдано.
Для понимания истории компьютерной техники рассмотренный реферат имеет, по крайней мере, два аспекта: первый – вся деятельность, связанная с автоматическими вычислениями, до создания компьютера ENIAC рассматривалась как предыстория; второй – развитие компьютерной техники определяется только в терминах технологии аппаратуры и схем микропроцессора.
Список литературы
1. В.Э. Фигурнов, “IBM PC для пользователя. Краткий курс”, Москва, “Инфра-М”, 1998 г.
2. Жигарев А. Н. Основы компьютноной грамоты -Л. Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987 г. - 255 с.
3. Кузнецов Е. Ю., Осман В. М. Персональные компьютеры и программируемые микрокалькуляторы: Учеб. пособие для ВТУЗов - М.: Высш. шк. -1991 г. 160 с.
4. Растригин Л. А. С компьютером наедине - М.: Радио и связь, - 1990 г. – 224 с.
Компьютерные технологии развиваются чрезвычайно быстро. Появляются всё новые компоновки и разработки, которые должны удовлетворить постоянно возрастающие требования. Один из наиболее интересных моментов - это сверхбольшая интегральная схема. Что это такое? Почему у неё такое название? Мы знаем, как расшифровывается СБИС, но что она собой представляет на практике? Где они используются?
Что сейчас используют?
Итак, мы знаем, что сверхбольшая интегральная схема названа так потому, что содержит множество компонентов. Какие же технологии сейчас используются при их создании? Чаще всего говорят об глубокой субмикронной области, которая позволяет достичь эффективного использования компонентов в 0,25-0,5 мкм, и наноэлектронике, где элементы измеряются в нанометрах. Причем первая постепенно становится историей, а во второй делаются всё большие открытия. Вот краткий перечень разработок, что создаются:
- Сверхбольшие кремниевые схемы. В них в глубокой субмикронной области предусмотрены минимальные размеры компонентов.
- Сверхскоростные гетеропереходные приборы и интегральные схемы. Строятся на основе кремния, германия, арсенида галлия, а также ряда иных соединений.
- Технология наноразмерных приборов, из которых отдельно следует упомянуть нанолитографию.
Хотя тут и указаны небольшие размеры, но не нужно заблуждаться о том, какой является конечная сверхбольшая интегральная схема. Габаритные размеры у неё могут изменяться сантиметрами, а в некоторых специфических устройствах даже метрами. Микрометры и нанометры – это всего лишь размер отдельных элементов (например, транзисторов), а их количество может исчисляться миллиардами!
Несмотря на такое число, может быть, что сверхбольшая интегральная схема весит несколько сотен граммов. Хотя возможно и такое, что она будет настолько тяжелой, что даже взрослый человек не сможет ее самостоятельно поднять.
Классификация
Контроль качества
Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.
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.
Как создаются?
Рассмотрим современную технологию. Итак, для создания сверхчистых полупроводниковых монокристаллических материалов, а также технологических реагентов (в том числе жидкостей и газов) необходимо:
- Обеспечить сверхчистые производственные условия в зоне обработки и транспортировки пластин.
- Разработать технологические операции и создать комплекс оборудования, где будет присутствовать автоматизированный контроль процессов. Это необходимо для обеспечения заданного качества обработки и низкого уровня загрязнения. Хотя не следует забывать и о высокой производительности и надежности создаваемых электронных компонентов.
Шутки ли, когда создаются элементы, размер которых исчисляется в нанометрах? Человеку, увы, выполнить операции, требующие феноменальной точности, не под силу.
Что с отечественными производителями?
Почему сверхбольшая интегральная схема прочно ассоциируется с зарубежными разработками? В начале 50-х годов прошлого столетия СССР занимал второе место в разработке электроники. Но сейчас отечественным производителям чрезвычайно сложно конкурировать с зарубежными компаниями. Хотя не всё так плохо.
Так, относительно создания сложной наукоемкой продукции можно уверенно сказать, что в Российской Федерации сейчас есть и условия, и кадры, и научный потенциал. Есть довольно много предприятий и учреждений, что могут разрабатывать различные электронные устройства. Правда, всё это существует в довольно ограниченном объеме.
Так, часты случае, когда для разработок используется высокотехнологическое «сырье» вроде СБИС-памяти, микропроцессоров и контроллеров, что были изготовлены за границей. Но при этом решаются определённые задачи обработки сигналов и осуществления вычислений программным путём.
Хотя не следует полагать, что мы можем исключительно закупать и с различных компонентов собирать технику. Существуют и отечественные варианты процессоров, контроллеров, сверхбольших интегральных схем и прочих разработок. Но, увы, они не могут соревноваться с лидерами мира по своей эффективности, что делает затруднительным их коммерческую реализацию. Но вот использовать их в отечественных системах, где не нужно много мощностей или следует позаботиться о надежности, – это вполне возможно.
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]
А что потом?
Первоначально значительная часть прироста стоимости изготавливаемой продукции была именно в процессе сборки. Основные этапы, которые приходилось проходить каждому изделию – это проектирование, выполнение и проверка соединений между компонентами. Функции, а также размеры устройств, что реализовывались на практике, ограничиваются исключительно количеством применяемых компонентов, их надежностью и физическими размерами.
Поэтому, если говорят, что какая-то сверхбольшая интегральная схема весит более 10 кг, это вполне возможно. Вопрос исключительно в рациональности использования такого большого блока компонентов.
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.
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.
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.
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):
- 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.
-
-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.
Сверхбольшие интегральные схемы программируемой логики
Это отдельно выделяемый перспективный вид разработок. Они вне конкуренции в тех областях, где нужно создавать высокопроизводительные специализированные устройства, ориентированные на аппаратную реализацию. Благодаря этому решается задача распараллеливания процесса обработки и повышается производительность в десятки раз (если сравнивать с программными решениями).
По сути, эти сверхбольшие интегральные схемы обладают универсальными настраиваемыми функциональными преобразователями, что позволяет пользователям настраивать между ними связи. И это всё на одном кристалле. Как результат – более короткий цикл создания, экономический выигрыш для мелкосерийного производства, а также возможность внести изменения на произвольном этапе конструирования.
Разработка сверхбольших интегральных схем программируемой логики занимает несколько месяцев. После этого они за кратчайшее время настраиваются – и это всё с минимальным уровнем затрат. Существуют различные производители, архитектура и возможности создаваемой ими продукции, что значительно повышает возможность выполнения поставленных задач.
Аналоговые схемы
Степень интеграции
В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):
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.
Развитие
Хочется сделать ещё одно небольшое отступление. Исторически так сложилось, что в интегральных схемах привлекали их небольшие размеры и масса. Хотя постепенно по мере развития появлялись возможности всё более тесного размещение элементов. И не только. Под этим стоит понимать не только компактное размещение, но и улучшение эргономических показателей, увеличение характеристик и уровня надежности функционирования.
Особенное внимание следует уделять материальным и энергетическим показателям, что прямо зависят от используемой на один компонент площади кристалла. Во многом это зависело от используемого вещества. Первоначально для полупроводниковой продукции применяли германий. Но со временем его вытеснил кремний, который обладает более привлекательными характеристиками.
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.
Содержание
История развития
В начале шестидесятых годов появились первые полупроводниковые микросхемы. С тех пор микроэлектроника прошла значительный путь от простых логических элементов до сложнейших цифровых устройств. Современные сложные и многофункциональные компьютеры могут работать на одном полупроводниковом монокристалле, площадь которого составляет один квадратный сантиметр.
Необходимо было их как-то классифицировать и различать. Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) названа так потому, что возникла надобность обозначать микросхему, у которых степень интеграции превышала 104 элемента на один кристалл. Это произошло в конце семидесятых. Уже через несколько лет стало понятно, что это – генеральное направление для микроэлектроники.
Итак, сверхбольшая интегральная схема названа так потому, что нужно было классифицировать все достижения в этой сфере. Первоначально микроэлектроника строилась на операциях сборки и занималась реализацией сложных функций объединяя множество элементов в чем-то одном.
Заключение
Сверхбольшие интегральные схемы оказали существенное влияние на развитие человечества и имеющихся у нас возможностей. Но вполне вероятно, что скоро они устареют и на замену им придёт что-то совершенно иное.
Ведь, увы, мы уже приближаемся к пределу возможностей, а стоять на месте человечество не привыкло. Поэтому, вероятно, сверхбольшим интегральным схемам будут оказаны должны почести, после чего их заменят более совершенные разработки. Но пока же мы все используем СБИС как вершину существующего творения.
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.
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
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.
Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.
На самом деле то, что мы сегодня называем процессором, правильно называть микропроцессором. Разница есть и определяется видом устройства и его историческим развитием.
Первый процессор (Intel 4004) появился в 1971 году.
Внешне представляет собой кремневую пластинку с миллионами и миллиардами (на сегодняшний день) транзисторов и каналов для прохождения сигналов.
Назначение процессора – это автоматическое выполнение программы. Другими словами, он является основным компонентом любого компьютера.
В состав центрального процессора входят:
- устройство управления (УУ);
- арифметико-логическое устройство (АЛУ);
- запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;
- генератор тактовой частоты (ГТЧ).
Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.
Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.
Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.
Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.
К основным характеристикам процессора относится Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду. Измеряется в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Быстродействие зависит от следующих параметров:
Тактовая частота в МГц. ТЧ. равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего.
Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные.
Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.
Размер кэш-памяти
Подсистема памяти
Оперативная память.
Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или RAM (RandomAccessMemory) — памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется одному байту Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т.е она является энергозависимой.
Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (DynamicRAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (StaticRAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе, Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырех или шести транзисторах. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Кроме этого статические ОЗУ более энергоемки и значительно дороже. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти (кэш-памяти). В кэш-память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.
Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Одним из способов увеличения быстродействия динамического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом во втором модуле, байт со вторым адресом в первом модуле и т.д. Поскольку обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах — защелках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячеек, то ее содержимое читается из защелки.
Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это время все еще остается значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производительности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ.cache — запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора.
Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет самый меньший объем и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, объем которой больше, чем у памяти первого уровня. И, наконец, кэш-память третьего уровня (самая большая по объему) расположена на системной плате.
Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.
Поколения ЭВМВ соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре реальных поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице.
Поколения ЭВМ Параметры сравнения первое Второе Третье Четвертое Период времени 1946-1959 1960-1969 1970-1979 С 1980 года Элементная база (для УУ, АЛУ) Электронные (ли эектрические) лампы Полупроводник и (транзисторы) Интегральные схемы Большие интегральные схемы (БИС) Основной тип ЭВМ Большие Большие Малые (мини) Микро Основные устройства ввода Пульт, перфокарточный и перфоленточный ввод Добавился алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура Основные устройства вывода Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод Графопостроитель, принтер Графопостроитель, принтер Внешняя память Магнитные ленты, барабаны, перфоленты и перокарты Добавился магнитный диск Перфоленты, магнитный диск Магнитные и оптические диски Ключевые решения в ПО Универсальные языки программирования, трансляторы Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы Интерактивные дружественность ОС, структури- ПО, сетевые ОС рованные языки программирования Режим работы ЭВМ Однопрограммный Пакетный Разделения вре- мени Персональная работа и сетевая обработка данных Цель использования Эвм Научно- технические расчеты Технические и экономические расчеты Управления и экономические расчеты Телекоммуникации, информационное обслуживание и управление ЭВМ первого поколенияобладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. В качестве внутренней памяти применялись ферритовые сердечники. Основной недостаток этих ЭВМ рассогласование быстродействия внутренней памяти и АЛУ и УУ за счет различной элементной базы. Общее быстродействие определялось более медленным компонентом — внутренней памятью — в снижало общий эффект. Уже в ЭВМ первого поколения делались попытки ликвидировать этот недостаток путем асинхронизации работы устройств и введения буферизации вывода, когда передаваема информация «сбрасывается в буфер» в буфер, освобождая устройство для дальнейшей работы (принцип автономии). Таким образом, для работы устройств ввода-вывода использовалась собственная память. Существенным функциональным ограничением ЭВМ первого поколения являлась ориентация па выполнение арифметических операций. При попытках приспособления для задач анализа они оказывались неэффективными. Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовал и машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования. Кконцу 50-х годов средства программирования претерпевают принципиальные изменения: осуществляется переход к автоматизации в программирования с помощью универсальных языков и библиотек стандартных программ. Использование универсальных языков повлекло возникновение трансляторов. Программы выполнялись позадачно т. е. оператору надо было следить за ходом решения задачи и при достижении конца самому инициировать выполнение следующей задачи. Начало современной эры использования ЭВМ в нашей стране относят к 1950 году, когда в институте электротехники
АН УССР под руководством С.А. Лебедева была создана первая отечественная ЭВМ под названием МЭСМ — Малая Электронная Счетная Машина. В течение первого этапа развития средств вычислительной техники в нашей стране создан ряд ЭВМ: БЭСМ, Стрела, Урал, М-2. Второе поколениеЭВМ — это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ. Получает дальнейшее развитие принцип автономии — он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными УУ (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода. Совершенствование и удешевление ЭВМ привели к снижению удельной стоимости машинного времени и вычислительных ресурсов в общей стоимости автоматизированного решения задачи обработки данных, в то же время расходы на разработку программ (т. е. программирование) почти не снижались, а в ряде случаев имели тенденции к росту. Таким образом, намечалась тенденция к эффективному программированию, которая начала реализовываться во втором поколении ЭВМ и получает развитие до настоящего времени. Начинается разработка на базе библиотек стандартных программ интегрированых систем, обладающих свойством переносимости, т. е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в ППП для решения задач определенного класса. Совершенствуется технология выполнения программ на ЭВМ: создаются специальные программные средства — системное ПО. Цель создания системного ПО — ускорение и упрощение перехода процессором от одной задачи к другой. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программы за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенным и для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий. Этот элемент жив до сих пор: так называемые пакетные (или командные) файлы МS DOS есть не что иное, как пакеты заданий (расширение в их имени bat является сокращением от английского слова batch, что означает пакет). К отечественным ЭВМ второго поколения относятся «Проминь» , «Минск», «Раздан», «Мир». В 70-х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения.В нашей стране это ЕС ЭВМ, АСВТ, СМ ЭВМ. Данный этап- переход к интегральной элементной базе и создание многомашинных систем, поскольку значительного увеличения быстродействия на базе одной ЭВМ достичь уже не удавалось. Поэтому ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило комплексировать произвольные вычислительные комплексы в различных сферах деятельности. Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применеюния, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных — СуБД. Изменились формы использования ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач. Обеспечить режим разделения времен позволил новый вид операционных систем, поддерживающих мультипрограмм ирование. Мультипрограммирование это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простанивает, как это происходило при последовательном выполнению программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок внутренней памяти, называемый разделом. Мультипрограммирование нацелено на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины, поэтому такие операционные системы носили интерактивный характер, когда в процессе диалога с ЭВМ пользователь решал свои задачи. С 1980 года начался современный, четвертый этап, для которого характерны переход к большим интегральным схемам, создание серий недорогих микроЭВМ, разработка суперЭВМ для высокопроизводительных вычислений. Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки “дружественного” программного обеспечения. Возникают операционные системы, поддерживающие графический интерфейс, интеллектуальные пакеты прикладных программ, операционные оболочки. В связи с возросшим спросом на программное обеспечение совершенствуются технологии его разработки – появляются развитые системы программирования, инструментальные среды пользователя. В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных операционных систем. В сетевых операционных системах хорошо развиты средства защиты информации от несаннкционнированого доступа. Распределенные операционные системы обладают схожими с сетевыми системами функциями работы с файлами и другими ресурсами удаленных компьютеров, но там слабее выражены средства защиты.
Классификация ЭВМ
Число классификаций ЭВМ велико, и они постоянно обновляются и совершенствуются. Однако мала вероятность появления такой исчерпывающей классификации ЭВМ, как, например, созданная Д.И. Менделеевым «Периодическая таблица химических элементов», которая позволяет предсказать свойства неизвестного пауке химического элемента.
Компьютеры могут быть классифицированы по различным признакам, в частности, по:
1. этапам создания и элементной базе (на Электромагнитных реле, электронных лампах, транзисторах, микросхемах малой степени интеграции, микросхемах большой степени интеграции);
2. размерам и вычислительной мощности (суперЭВМ, большие ЭВМ или мейн-фреймы, малые ЭВМ, микроЭВМ, портативные или наколенные компьютеры - Lap Top, компьютеры-блокноты - Note Book, электронные секретари- Hand Help, карманные компьютеры - Palm Top);
3. принципу действии (аналоговые вычислительные машины - АВМ, цифровые вычислительные машины - ЦВМ, гибридные вычислительные машины - ГВМ);
4. степени доступности (персональные и коллективные ЭВМ);
5. назначению (серверы и рабочие станции - клиенты);
6. функциональным возможностям (универсальные, проблемно-ориентированные и специализированные ЭВМ);
7. по числу потоков и команд (STSD, MSB, S1MD, MIMD);
Дадим небольшие комментарии к каждой классификации.
Первая электронная вычислительная машина была построена в середине 40-х годов XX столетия на электронных вакуумных лампах. Для ЭВМ первого поколения характерными чертами были большая потребляемая мощность и невысокая надежность, вызванная частыми отказами электронных ламп, ЭВМ второго поколения были построены на полупроводниковых элементах - транзисторах.
ЭВМ третьего и четвертого поколении использовали соответственно микросхемы малой и большой степени интеграции (эти микросхемы отличались числом элементов, размещенных в одном корпусе, на одной подложке).
Исторически первыми появились большие ЭВМ. Скорее это название было связано с габаритами ЭВМ. Что касается производительности первых машин, то по современным понятиям их возможности были чрезвычайно малы.
Появление в 70-х годах XX столетия малых ЭВМ било обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области микроэлектроники, а с другой — неиспользованной избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложении. Малые ЭВМ использовались чаще всего для управления технологическими процессами предприятий. Они были компактнее и дешевле больших ЭВМ.
Изобретение микропроцессора привело к появлению в 70-х годах XX столетия еще одного класса машин - микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех классах ЭВМ, Наибольшую популярность в настоящее время получили персональные мнкроЭВМ - ПЭВМ, например, производства фирмы IBM с процессорами фирмы Intel - Pentium.
Вес самых малогабаритных переносных и карманных микроЭВМ составляет всего 200—300 г.
Для решения сложных задач: прогнозирование метеообстановки, управления оборонными комплексами, моделирования ядерных испытаний и др. - были разработаны наиболее сложные и мощные машины - суперЭВМ.
Создать высокопроизводительную суперЭВМ на одном микропроцессоре не удается из-за ограничения скорости распространения электромагнитных волн (ограничение тактовой частоты процессора) и температурного барьера.
Поэтому суперЭВМ проектируют в виде многопроцессорных вычислительных систем; (МПВС). При этом одновременно (параллельно) работает несколько тысяч (даже сотен тысяч) процессоров, увеличивая тем самым суммарную производительность системы. Заметам, что уже ведется разработка суперЭВМ, которая будет содержать миллион процессоров. Зримо представить грандиозность подобного сооружения можно, прочитав книгу Брауна «Цифровая крепость». МПВС имеют несколько разновидностей:
1. векторные МПВС, в которых все процессоры Р одновременно выполняют одну команду 1 над различными данными П – однократный поток команд с многократным потоком данных - SIMD (Single instruction Stream/J Multiple Data Stream);
2. конвейерные МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции I над последовательным потоком обрабатываемых данных D; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам c многократным потоком команд и однократным потоком данных - MISE (Multiple Instruction Stream / Single Data Stream);
3. матричные МПВС, в которых процессоры Р одновременно выполняют разные операции I над несколькими потоками обрабатываемых данных; D - многократный поток команд с многократным потоком данных - MIMD (Multiple Instruction Stream / Multiple Data Stream).
Вероятно, здесь же уместно упомянуть традиционные для многих пользователей ПЭВМ однопроцессорные SISD ЭВМ, которые по числу обрабатываемых потоков команд и данных являются простейшими.
Аббревиатура SISD (Single Instruction Stream / Single Data Stream) означает одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся машины фон-неймановского типа. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных,
Универсальные ЭВМ предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются наиболее сложными и дорогими машинами. Для проблемно-ориентированных ЭВМ характерно ограничение машинных ресурсов применительно к определенному классу задач. Такие ЭВМ используются в автоматизированных системах управление технологическими процессами (АСУТП), автоматизированных системах учёных исследований (АСНИ), системах автоматизированного проектирования (САПР), в автоматизированных рабочих местах (АРМ). Специализированные ЭВМ служат для решения узкого класса задач (или даже одной задачи), требующих многократного повторения рутинных операций (например, продажа билетов на транспорте, управление коммутацией па автоматической телефонной станции, статистическая обработка информации в измерительном приборе).
В цифровых вычислительных машинах (ЦВМ) информация циркулирует в виде двоичных сигналов (кодов), с помощью которых представляются буквы, числа, знаки препинания, математические символы, управляющие сигналы, графические изображения, звуковые картины и т, д. Все данные и команды в конечном счете заменяются сигналами двух уровней - высокого и низкого, которые принято называть единицами и нулями.
В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) электрические; сигналы имеют непрерывный характер. О результатах вычислений судят величине электрических напряжений на выходе операционных, усилителей, которые составляют основу АВМ.
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) - это комбинированные машины, которые работают с информацией, представленной и цифровой, и в аналоговой формах.
Сервер (Server) - компьютер, предоставляющий услуги другом компьютеру - клиенту (рабочей станции). С помощью сервера другие компьютеры получают доступ к базам данных, находящимся на сервере, принтерам и факсам, подключенным к серверу. Среди компьютеров различай почтовые серверы, серверы печати, файл-серверы, серверы доменных и т. п.
К серверам печати подключены принтеры, и они предоставляют услуги для других компьютеров, пользователи которых распечатывают свои документы с помощью серверов печати.
В заключение еще раз отметим, что рассмотренные классификацию известной мере условны, так как границы между группами ЭВМ размыты и очень подвижны во времени.
Назначение
Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).
Технологии изготовления
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.По каким признакам их классифицируют?
- Логическая емкость (степень интеграции).
- Организация внутренней структуры.
- Тип применяемого программируемого элемента.
- Архитектура функционального преобразователя.
- Наличие/отсутствие внутренней оперативной памяти.
Каждый пункт заслуживает внимания. Но увы, размер статьи ограничен, поэтому мы рассмотрим только самую важную составляющую.
О преследуемых целях
СБИС первоначально создавались для машин пятого поколения. При их изготовлении ориентировались на потоковую архитектуру и реализацию интеллектуального человеко-машинного интерфейса, что позволит не только обеспечить системное решение задач, но и предоставит маше возможность логически мыслить, самообучаться и делать логические выводы.
Предполагалось, что общение будет вестись на естественном языке с использованием речевой формы. Что ж, в той или иной мере это было реализовано. Но всё же до полноценного беспроблемного создания идеальных сверхбольших интегральных схем ещё далеко. Но мы, человечество, до этого уверенно движемся. В этом большую роль играет автоматизация проектирования СБИС.
Как уже ранее упоминалось, для этого необходимо потратить множество людских и временных ресурсов. Поэтому, чтобы сэкономить, широко используется автоматизация. Ведь когда необходимо установить соединения между миллиардами составляющих, даже команда из нескольких десятков человек потратит на это годы. Тогда как автоматика может это сделать в считанные часы, если заложить правильный алгоритм.
Сейчас дальнейшее уменьшение представляется довольно проблематичным, поскольку мы уже подходим к пределу транзисторной технологии. Уже сейчас самые небольшие транзисторы имеют размер в несколько десятков нанометров. Если уменьшить их в несколько сотен раз, то мы просто упрёмся в габариты атома. Несомненно, это хорошо, но как двигаться далее в плане увеличения эффективности электроники? Для этого придётся выходить на новый уровень. Например – заняться созданием квантовых компьютеров.
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.
Что собой представляет логическая емкость?
Это наиболее важная характеристика для сверхбольших интегральных схем. Число транзисторов в них может составлять миллиарды. Но при этом их размер равен жалкой доли микрометра. Но ввиду избыточности структур логическую емкость измеряют в количестве вентилей, что нужно для реализации устройства.
Для их обозначения используются показатели в сотни тысяч и миллионов единиц. Чем выше значение логической емкости, тем более широкие возможности нам может предложить сверхбольшая интегральная схема.
Читайте также: