فناوری کامپیوتر بسیار سریع در حال توسعه است. طرح‌بندی‌ها و پیشرفت‌های جدیدی وجود دارند که باید نیازهای روزافزون را برآورده کنند. یکی از جالب ترین چیزها، مدار مجتمع بسیار بزرگ است. آن چیست؟ چرا او چنین نامی دارد؟ ما می دانیم که VLSI مخفف چیست، اما در عمل چگونه به نظر می رسد؟ کجا استفاده می شود؟
سابقه توسعه
در اوایل دهه شصت، اولین ریز مدارهای نیمه هادی ظاهر شد. از آن زمان به بعد، میکروالکترونیک راه طولانی را از عناصر منطقی ساده تا پیچیده ترین دستگاه های دیجیتال پیموده است. کامپیوترهای پیچیده و چند منظوره مدرن می توانند بر روی یک تک کریستال نیمه هادی که مساحت آن یک سانتی متر مربع است کار کنند.
باید به نحوی آنها را می داشتطبقه بندی و تمایز مدار مجتمع بسیار بزرگ (VLSI) به این دلیل نامگذاری شده است که نیاز به تعیین یک ریزمدار وجود داشت که در آن درجه یکپارچگی بیش از 104 عنصر در هر تراشه بود. در اواخر دهه هفتاد اتفاق افتاد. در عرض چند سال، مشخص شد که این مسیر کلی برای میکروالکترونیک است.
بنابراین، مدار مجتمع بسیار بزرگ به این دلیل نامیده می شود که لازم بود همه دستاوردها در این زمینه طبقه بندی شوند. در ابتدا، میکروالکترونیک بر اساس عملیات مونتاژ ساخته شد و درگیر اجرای توابع پیچیده با ترکیب بسیاری از عناصر در یک چیز بود.
و بعد چی؟
در ابتدا بخش قابل توجهی از افزایش قیمت تمام شده محصولات تولیدی دقیقاً در فرآیند مونتاژ بود. مراحل اصلی که هر محصول باید طی کند طراحی، اجرا و تایید اتصالات بین اجزا است. عملکردها و همچنین ابعاد دستگاه‌هایی که در عمل پیاده‌سازی شده‌اند، تنها به تعداد اجزای مورد استفاده، قابلیت اطمینان و ابعاد فیزیکی آنها محدود می‌شود.
بنابراین اگر بگویند یک مدار مجتمع بسیار بزرگ بیش از 10 کیلوگرم وزن دارد، کاملاً ممکن است. تنها سوال عقلانی بودن استفاده از چنین بلوک بزرگی از اجزاست.
توسعه
می خواهم یک انحراف کوچک دیگر انجام دهم. از لحاظ تاریخی، مدارهای مجتمع به دلیل اندازه و وزن کوچکشان جذب شده اند. اگرچه به تدریج، با توسعه، فرصت هایی برای نزدیک تر شدن وجود داشتقرار دادن عناصر و نه تنها. این باید نه تنها به عنوان یک قرار دادن فشرده، بلکه به عنوان یک بهبود در شاخص های ارگونومیک، افزایش عملکرد و سطح قابلیت اطمینان عملیاتی درک شود.
باید به شاخص های مواد و انرژی توجه ویژه ای شود که مستقیماً به مساحت کریستال مورد استفاده در هر جزء بستگی دارد. این تا حد زیادی به ماده مورد استفاده بستگی داشت. در ابتدا از ژرمانیوم برای محصولات نیمه هادی استفاده می شد. اما با گذشت زمان، سیلیکون که ویژگی های جذاب تری دارد، جایگزین آن شد.
چه چیزی اکنون استفاده می شود؟
بنابراین می دانیم که مدار مجتمع بسیار بزرگ به این دلیل نامیده می شود که شامل اجزای زیادی است. در حال حاضر از چه فناوری هایی برای ایجاد آنها استفاده می شود؟ اغلب آنها در مورد منطقه زیر میکرون عمیق صحبت می کنند که امکان دستیابی به استفاده مؤثر از اجزا در 0.25-0.5 میکرون و نانوالکترونیک را فراهم می کند که در آن عناصر در نانومتر اندازه گیری می شوند. علاوه بر این، اولی به تدریج تبدیل به تاریخ می شود و در دومی اکتشافات بیشتر و بیشتری صورت می گیرد. در اینجا لیست کوتاهی از پیشرفت هایی که در حال ایجاد هستند آمده است:
- مدارهای سیلیکونی فوق العاده بزرگ. آنها حداقل اندازه مؤلفه را در ناحیه زیر میکرون عمیق دارند.
- دستگاه های اتصال ناهمگون پرسرعت و مدارهای مجتمع. آنها بر اساس سیلیکون، ژرمانیوم، آرسنید گالیم و همچنین تعدادی از ترکیبات دیگر ساخته شده اند.
- تکنولوژی دستگاه های نانومقیاس که باید به نانولیتوگرافی جداگانه اشاره کرد.
اگرچه اندازه های کوچک در اینجا نشان داده شده است، اما نیازی به اشتباه در مورد اینکه کدام یک است وجود ندارد.مدار مجتمع فوق العاده بزرگ. ابعاد کلی آن می تواند بر حسب سانتی متر و در برخی دستگاه های خاص حتی متر متفاوت باشد. میکرومترها و نانومترها فقط به اندازه عناصر منفرد (مانند ترانزیستورها) هستند و تعداد آنها می تواند میلیاردها باشد!
با وجود چنین عددی، ممکن است یک مدار مجتمع در مقیاس فوق العاده بزرگ چند صد گرم وزن داشته باشد. اگرچه ممکن است آنقدر سنگین باشد که حتی یک بزرگسال هم نتواند به تنهایی آن را بلند کند.
چگونه ایجاد می شوند؟
بیایید فناوری مدرن را در نظر بگیریم. بنابراین، برای ایجاد مواد نیمه هادی تک کریستالی فوق خالص، و همچنین معرف های تکنولوژیکی (شامل مایعات و گازها)، شما نیاز دارید:
- اطمینان از شرایط کاری فوق العاده تمیز در منطقه پردازش و حمل ویفر.
- توسعه عملیات فن آوری و ایجاد مجموعه ای از تجهیزات، که در آن کنترل فرآیند خودکار وجود دارد. این برای اطمینان از کیفیت مشخص پردازش و سطوح پایین آلودگی ضروری است. اگرچه نباید کارایی و قابلیت اطمینان بالای قطعات الکترونیکی ایجاد شده را فراموش کنیم.
آیا وقتی عناصری ساخته می شوند که اندازه آنها بر حسب نانومتر محاسبه می شود شوخی است؟ افسوس که انجام عملیاتی که نیاز به دقت خارق العاده ای دارد برای شخص غیرممکن است.
تولیدکنندگان داخلی چطور؟
چراآیا مدار مجتمع فوق بزرگ به شدت با تحولات خارجی مرتبط است؟ در اوایل دهه 50 قرن گذشته، اتحاد جماهیر شوروی در توسعه الکترونیک جایگاه دوم را به خود اختصاص داد. اما اکنون رقابت تولیدکنندگان داخلی با شرکت های خارجی به شدت دشوار است. اگرچه همه چیز بد نیست.
بنابراین، در مورد ایجاد محصولات پیچیده علمی فشرده، می توان با اطمینان گفت که فدراسیون روسیه اکنون شرایط، پرسنل و پتانسیل علمی را دارد. تعداد کمی از شرکت ها و موسسات وجود دارند که می توانند دستگاه های الکترونیکی مختلف را توسعه دهند. درست است، همه اینها در حجم نسبتاً محدودی وجود دارد.
بنابراین، اغلب زمانی اتفاق می افتد که از "مواد خام" با فناوری پیشرفته برای توسعه استفاده می شود، مانند حافظه VLSI، ریزپردازنده ها و کنترلرهایی که در خارج از کشور تولید می شوند. اما در عین حال، مشکلات خاصی از پردازش سیگنال و محاسبات به صورت برنامه‌نویسی حل می‌شوند.
اگرچه نباید تصور کرد که ما می توانیم به طور انحصاری تجهیزات را از اجزای مختلف خریداری و مونتاژ کنیم. همچنین نسخه‌های داخلی پردازنده‌ها، کنترل‌کننده‌ها، مدارهای مجتمع در مقیاس بزرگ و پیشرفت‌های دیگر وجود دارد. اما افسوس که آنها نمی توانند از نظر اثربخشی با رهبران جهان رقابت کنند که اجرای تجاری آنها را دشوار می کند. اما استفاده از آنها در سیستم‌های خانگی که به نیروی زیادی نیاز ندارید یا باید از قابلیت اطمینان مراقبت کنید کاملاً ممکن است.
PLCs برای منطق قابل برنامه ریزی
این یک نوع توسعه امیدوارکننده جداگانه است. آنها در حوزه هایی که شما نیاز به ایجاد آن دارید خارج از رقابت هستنددستگاه های تخصصی با کارایی بالا که بر پیاده سازی سخت افزار متمرکز شده اند. به لطف این، وظیفه موازی سازی فرآیند پردازش حل می شود و عملکرد ده برابر (در مقایسه با راه حل های نرم افزاری) افزایش می یابد.
اساساً، این مدارهای مجتمع فوق العاده بزرگ دارای مبدل های عملکردی همه کاره و قابل تنظیم هستند که به کاربران امکان می دهد اتصالات بین آنها را سفارشی کنند. و همه اینها روی یک کریستال است. نتیجه چرخه ساخت کوتاه‌تر، سود اقتصادی برای تولید در مقیاس کوچک و توانایی ایجاد تغییرات در هر مرحله از طراحی است.
توسعه مدارهای مجتمع بسیار بزرگ منطقی قابل برنامه ریزی چندین ماه طول می کشد. پس از آن، آنها در کوتاه ترین زمان ممکن پیکربندی می شوند - و این همه در حداقل سطح هزینه است. تولیدکنندگان، معماری‌ها و قابلیت‌های متفاوتی برای محصولاتی که ایجاد می‌کنند، وجود دارد که توانایی انجام وظایف را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.
چگونه طبقه بندی می شوند؟
معمولاً برای این مورد استفاده می شود:
- ظرفیت منطقی (درجه یکپارچگی).
- سازمان ساختار داخلی.
- نوع مورد قابل برنامه ریزی استفاده شده.
- معماری مبدل تابع.
- وجود/عدم وجود رم داخلی.
هر مورد شایسته توجه است. اما افسوس که حجم مقاله محدود است، بنابراین ما فقط مهمترین جزء را در نظر خواهیم گرفت.
چیستظرفیت منطقی؟
این مهمترین ویژگی برای مدارهای مجتمع در مقیاس بسیار بزرگ است. تعداد ترانزیستورهای موجود در آنها می تواند میلیاردها باشد. اما در عین حال، اندازه آنها برابر است با کسری فلاکت بار از میکرومتر. اما به دلیل افزونگی ساختارها، ظرفیت منطقی بر حسب تعداد گیت هایی که برای پیاده سازی دستگاه مورد نیاز است اندازه گیری می شود.
برای تعیین آنها، از شاخص های صدها هزار و میلیون ها واحد استفاده می شود. هر چه مقدار ظرفیت منطقی بالاتر باشد، یک مدار مجتمع در مقیاس فوق العاده بزرگ فرصت های بیشتری می تواند به ما ارائه دهد.
درباره اهداف دنبال شده
VLSI در اصل برای ماشین های نسل پنجم ساخته شد. در ساخت آنها، آنها توسط یک معماری جریان و اجرای یک رابط هوشمند انسان و ماشین هدایت شدند، که نه تنها راه حلی سیستماتیک برای مشکلات ارائه می دهد، بلکه فرصت تفکر منطقی، خودآموزی و ترسیم منطقی را نیز برای ماشا فراهم می کند. نتیجه گیری.
فرض بر این بود که ارتباط به زبان طبیعی و با استفاده از فرم گفتار انجام می شود. خوب، به هر طریقی اجرا شد. اما هنوز، هنوز با ایجاد کامل و بدون مشکل مدارهای مجتمع فوق العاده بزرگ فاصله دارد. اما ما، بشریت، با اطمینان به جلو می رویم. اتوماسیون طراحی VLSI نقش بزرگی در این امر ایفا می کند.
همانطور که قبلاً ذکر شد، این نیاز به منابع انسانی و زمان زیادی دارد. بنابراین، برای صرفه جویی در هزینه، اتوماسیون به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. بالاخره وقتی لازم است بین میلیاردها ارتباط برقرار شودحتی یک تیم متشکل از چندین ده نفر سال ها را صرف آن می کند. در حالی که اتوماسیون می تواند این کار را در عرض چند ساعت انجام دهد، اگر الگوریتم درستی تنظیم شود.
کاهش بیشتر اکنون مشکل ساز به نظر می رسد، زیرا ما در حال نزدیک شدن به محدودیت فناوری ترانزیستور هستیم. در حال حاضر، کوچکترین ترانزیستورها تنها چند ده نانومتر اندازه دارند. اگر آنها را چند صد برابر کاهش دهیم، به سادگی به ابعاد اتم خواهیم رسید. بدون شک این خوب است، اما چگونه می توان از نظر افزایش کارایی الکترونیک جلو رفت؟ برای این کار باید وارد مرحله جدیدی شوید. به عنوان مثال، برای ایجاد کامپیوترهای کوانتومی.
نتیجه گیری
مدارهای مجتمع در مقیاس فوق العاده بزرگ تأثیر قابل توجهی بر توسعه بشریت و امکاناتی که ما داریم داشته اند. اما این احتمال وجود دارد که آنها به زودی منسوخ شوند و چیز کاملاً متفاوتی جایگزین آنها شود.
بالاخره افسوس که ما در حال نزدیک شدن به مرز امکانات هستیم و بشریت عادت به ایستادن ندارد. بنابراین، این احتمال وجود دارد که مدارهای مجتمع فوق‌العاده بزرگ مورد تقدیر قرار گیرند و پس از آن با طرح‌های پیشرفته‌تر جایگزین شوند. اما در حال حاضر، همه ما از VLSI به عنوان اوج ایجاد موجود استفاده می کنیم.
