Счетно-решающие устройства до появления электронно-вычислительных машин (ЭВМ)

     Одним из первых устройств (V - IV вв. до н.э.), облегчавших вычисления, можно считать абак. Это специальная доска с углублениями. Вычисления на ней производились перемещением камешков или костей.

     Со временем эти доски стали расчерчивать на несколько полос и колонок. В Греции абак существовал уже в V веке до н.э., у японцев он назывался "серобян", у китайцев - "суанпан". В Древней Руси при счете применялось устройство похожее на абак, оно называлось "русский счет". В 17 веке этот прибор приобрел вид привычных русских счетов.

     В начале 17 века французский математик и физик Блез Паскаль создал первую "суммирующую машину", названную Паскалиной, выполняющую сложение и вычитание. В 1670-1680 годах немецкий математик Лейбниц сконструировал счетную машину, которая выполняла все 4 арифметических действия.

     В 1874 году петербургский инженер Однер сконструировал прибор под названием арифмометр, выполнявший довольно быстро выполнять все четыре арифметических действия над многозначными числами. В 30-е годы 20 века в Советском Союзе был разработан более совершенный арифмометр "Феликс". Эти счетные устройства были основными техническими средствами, облегчающими труд людей, связанных с обработкой больших массивов числовой информации.

 (для просмотра полного текста статьи, нажмите "Далее")    

“Электроника – самая динамичная отрасль экономики в мире и для большинства стран является стратегической отраслью”. Среднегодовые темпы роста составляют более 7 процентов в год. Отрасли промышленности, связанные с электроникой, отрасли промышленности, которые используют электронные изделия, производят продукции на 15 триллионов долларов.

Что дают вложения в электронику? 1 доллар дает 100 долларов в конечном продукте. Уровень рентабельности электронной промышленности – 40 процентов. Среднемировой срок окупаемости вложений в электронику – 2-3 года. Темпы роста в три раза выше темпов ростов ВВП. Одно рабочее место в электронике дает четыре в других отраслях. Один килограмм изделий микроэлектроники по стоимости эквивалентен стоимости 110 тонн нефти. Это килограмм изделий, имеющих электронные компоненты, а если вы возьмете электронные компоненты, такие, например, как лазерную гетероструктуру, то там один грамм эквивалентен по стоимости 10 тонн нефти.

Технология бурно развивается сегодня. Первая интегральная схема - два транзистора RC- цепочка. 2000 год - это 43 миллиона транзисторов, и в 2014 году это будет 4,3 миллиарда транзисторов на одной интегральной схеме. Скорость канала – 10 гигабит в секунду 2000 год и нужно умножить на 1000 - 10 000 - 2014 год. В микропроцессах стоимость одного мегагерца в 1970 году – 7 тысяч 600 долларов и 16 центов в 2000. Скорость передачи, стоимость посылки в гигабитах в секунду это 150 тысяч долларов в 1970 году и 12 центов теперь.

Мировой рынок электронной промышленности. Материалы для производства полупроводников - 20 миллиардов долларов, полупроводниковое производственное оборудование – 30 миллиардов, полупроводниковые компоненты – 205 миллиардов долларов. Электронное оборудование – более триллиона и отрасли промышленности, связанные с электроникой, - 15 триллионов. 65 процентов валового национального продукта Соединенных Штатов Америки определяется промышленностью, связанной с электроникой, основанной на использовании электронных компонентов.

Механические вычислители

Предпосылки к появлению компьютера формировались, наверное, с древних времен, однако нередко обзор начинают со счетной машины Блеза Паскаля, которую он сконструировал в 1642 г. Эта машина могла выполнять лишь операции сложения и вычитания. В 70-х годах того же века Готфрид Вильгельм Лейбниц построил машину, умеющую выполнять операции не только сложения и вычитания, но и умножения и деления.

     В XIX веке большой вклад в будущее развитие вычислительной техники сделал Чарльз Бэббидж. Его разностная машина, хотя и умела только складывать и вычитать, зато результаты вычислений выдавливались на медной пластине (аналог средств ввода-вывода информации). В дальнейшем описанная Бэббиджем аналитическая машина должна была выполнять все четыре основные математические операции. Аналитическая машина состояла из памяти, вычислительного механизма и устройств ввода-вывода (прямо таки компьютер … только механический), а главное могла выполнять различные алгоритмы (в зависимости от того, какая перфокарта находилась в устройстве ввода). Программы для аналитической машины писала Ада Ловлейс (первый известный программист). На самом деле машина не была реализована в то время из-за технических и финансовых сложностей. Мир отставал от хода мыслей Бэббиджа.

     В XX веке автоматические счетные машины конструировали Конрад Зус, Джорж Стибитс, Джон Атанасов. Машина последнего включала, можно сказать, прототип ОЗУ, а также использовала бинарную арифметику. Релейные компьютеры Говарда Айкена: «Марк I» и «Марк II» были схожи по архитектуре с аналитической машиной Бэббиджа.

    Основной тенденцией развития микроэлектроники является по­вышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура, условное число транзисторов в наиболее скоростных процес­сорах удваивается каждые полтора года. Разумеется, эта тенденция не может сохраняться вечно, и уже с 90-х годов XX в. разные специ­алисты периодически высказывают мысль о том, что в своем разви­тии микроэлектроника вплотную подошла как к технологическому пределу увеличения размеров кристаллов СБИС и УБИС, так и к дальнейшему повышению «плотности» размещения компонентов на кристалле. Среди множества конструкторско-технологических про­блем, которые приходится решать при проектировании и производ­стве микроэлектронных изделий, можно выделить пять основных.

    На первом месте стоит проблема уменьшения размеров эле­ментов интегральных схем. Уже сейчас оборудование для произ­водства процессоров Intel Pentium 4, использующее в процессе литографии излучение с длиной волны 248 нм, позволяет полу­чить на кристалле элементы размером 130 нм. По прогнозам ком­пании Intel уже в ближайшее время удастся уменьшить размеры отдельного транзистора примерно до 30 нм, что составляет всего несколько десятков атомных слоев. Корпорация Nikon сообщила о форсировании программы разработки оборудования для проек­ционной литографии (Electron Projection Lithography — EPL) с использованием норм 0,07-микронного технологического процесса. Сегодня EPL можно рассматривать как наиболее вероятную тех­нологию литографии следующего поколения.

    По официальным данным фирмы IBM, в 2007 г. должна быть сдана в эксплуатацию оптическая система для литографии, ис­пользующая излучение с длиной волны 157 нм, с помощью кото­рой можно будет получать компоненты размером 65 нм.

    Участниками консорциума, в который вошли компании Intel, IBM, AMD, Micron Technology, Infineon и Motorola, разрабаты­вается проект использования литографии дальнего ультрафиолетового диапазона (волны длиной 13 нм), в результате реализации которого размеры элементов центрального процессора уменьшат­ся до 32 нм. По прогнозам, этого можно ожидать в 2010 г.

    Дальнейшие перспективы повышения разрешающей способ­ности литографии специалисты связывают с использованием при экспозиции мягкого рентгеновского излучения с длиной волны ~1 нм, а также различных методов электронной литографии. В од­ном из вариантов метода электронной литографии вообще не ис­пользуется технология резисторных масок, а предусмотрено не­посредственное действие электронного пучка на слой оксида крем­ния. Оказывается, что экспонированные области в дальнейшем травятся в несколько раз быстрее неэкспонированных.

    По-видимому, естественный предел дальнейшему росту мик­роминиатюризации СБИС и УБИС будет положен явлениями разупорядочивания структуры материалов за пределами окон в фо­торезистах. На более фундаментальном уровне он может быть обус­ловлен ограничением чистоты применяемых полупроводников и статистическим характером распределения в них дефектов и при­месей. Судя по наблюдаемой тенденции, этот предел может быть достигнут примерно к 2015 г.

    На втором месте в ряду актуальных задач микроэлектроники стоит проблема внутренних соединений. Огромное число элемен­тов микросхемы, размещенных на подложке, должно быть ком­мутировано между собой таким образом, чтобы обеспечить на­дежное и правильное выполнение определенных операций над сигналами. Этот вопрос решается с помощью многоуровневой разводки, когда на первом (низшем) уровне формируют логиче­ские вентили, на втором — отдельные цифровые узлы типа триг­геров, на третьем — отдельные блоки (например, регистры) и далее по нарастающей степени функциональной сложности.

    На третьем месте расположена проблема теплоотвода. Повы­шение степени интеграции обычно связано с уменьшением как размеров самих элементов, так и расстояний между ними, что ведет к увеличению удельной мощности рассеивания. В естествен­ном режиме (без дополнительного теплоотвода) допустимая мощ­ность рассеивания современных микросхем не превышает 0,05 Вт/ мм2, что ограничивает плотность размещения элементов на под­ложке. Для преодоления этого ограничения можно использовать несколько способов: снижение напряжения питания, использо­вание микрорежима работы транзисторов, переход к более эко­номичной элементной базе (например, комплементарная струк­тура металл—диэлектрик—полупроводник — КМДП) и, нако­нец, искусственное охлаждение. Однако у каждого из этих спо­собов существуют свои специфические трудности. Так, напри­мер, снижение напряжения питания неизбежно ведет к сниже­нию помехоустойчивости.

    Четвертой в списке следует указать проблему дефектов под­ложки. Повысить степень интеграции можно простым увеличени­ем площади кристалла, однако при этом пропорционально возра­стает вероятность попадания в рабочую область дефектов кристаллической структуры (прежде всего дислокаций), наличие ко­торых на поверхности подложки неизбежно, хотя бы в силу тер­модинамических причин. Дефект подложки может привести к на­рушениям технологического процесса изготовления микросхемы и соответственно к браку. Единственным способом решения этой проблемы является совершенствование технологии изготовления подложек.

    Последней в списке, но, пожалуй, первой по значимости сле­дует назвать проблему контроля параметров. Общеизвестно, что электроника проникла буквально во все области человеческой деятельности. Автоматические системы сегодня управляют слож­нейшими (и порой потенциально опасными) технологическими процессами, огромными транспортными потоками и т.д. Сбой в такой системе может привести к катастрофическим последствиям. В этих условиях проблемы надежности и качества оборудования, а следовательно, и контроля параметров производимой электрон­ной промышленностью продукции приобретают первостепенное значение. В силу большой сложности выполняемых функций чис­ло внешних информационных выводов современных СБИС варь­ируется от нескольких десятков до двух-трех сотен. Если принять для оценки число информационных выводов равным 50 и учесть, что цифровой сигнал на каждом из них может принимать два зна­чения («0» или «1»), то для полной проверки правильности фун­кционирования только одной СБИС и только в статическом ре­жиме потребуется 250 измерений. При длительности каждого из­мерения в 0,1 мкс (с типичной для современного уровня техно­логии частотой опроса 10 МГц) этот процесс займет более двух лет. Приведенные оценки показывают, что для реальной органи­зации контроля измерения по необходимости должны быть выбо­рочными. Поэтому тщательная проработка методики проверки (отбор контролируемых параметров, разработка эффективных ал­горитмов испытания, а также разработка соответствующей из­мерительной аппаратуры и программного обеспечения) представ­ляет собой важнейшую и очень сложную задачу.

    В настоящее время на пути решения каждой группы перечис­ленных проблем достигнуты определенные успехи. Решающее зна­чение повышения степени интеграции СБИС и УБИС имеют раз­работка и практическая реализация конструкторско-технологических решений, позволяющих подняться на качественно новый уро­вень разработок. В качестве характерного примера таких решений можно привести применение в современных СБИС функциональ­но-интегрированных элементов, которые в одной полупроводниковой области совмещают функции нескольких простейших эле­ментов (например, у транзистора можно совместить коллектор­ную нагрузку и сам коллектор). Другой пример — трехмерная ин­теграция, когда элементы ИС формируют в разных слоях, напри­мер двухслойная КМДП-структура, состоящая из двух компле­ментарных МДП-транзисторов (металл—диэлектрик—полупро­водник), имеющих общий затвор.

    Определенные перспективы имеют стремительно развивающи­еся в настоящее время нанотехнологии, основанные на использо­вании туннельной микроскопии. Рабочим органом нанотехноло-гической установки служит электрический зонд из твердосплав­ного материала, представляющий собой своеобразную иглу, ост­рие которой методами ионного травления «заточено» до атомарных размеров. Острие зонда располагается на весьма малом (~10-10 м) расстоянии от поверхности отполированной проводящей подлож­ки, и между подложкой и зондом прикладывается некоторое на­пряжение. Из-за малости зазора даже при весьма малых напряже­ниях напряженность поля в зазоре может достигать огромных ве­личин порядка 108… 109 В/м, что приводит к появлению туннель­ного тока. Измеряя этот туннельный ток, можно с помощью пьезо-преобразователей поддерживать величину зазора с погрешностью порядка 10-11 м. При этом диаметр пучка туннельных электронов имеет величину ~10-10 м.

    Увеличивая энергию пучка до уровня энергии межатомных свя­зей, можно оторвать отдельный атом от подложки и, перемещая подложку с помощью пьезоманипуляторов, перенести его вместе с зондом в новое положение. При снижении энергии пучка мо­жно осадить атом на подложку в этом новом положении.

Введя в активную область под зондом молекулы технологиче­ского газа, в условиях резко неоднородного электрического поля можно добиться их ионизации и, захватив зондом нужный ион, осадить его на подложку в нужном месте. Таким образом, форми­руют на подложке точечные или линейные структуры с характер­ными размерами порядка 10-9 м. Наполняя рабочую область уста­новки газом-травителем, инициируют химические реакции, при­водящие к удалению с поверхности отдельных цепочек атомов, что позволяет создавать канавки нанометровой глубины.

    Нанотехнологии открывают практически неограниченные воз­можности построения как планарных, так и объемных структур, позволяющих создавать на подложке электронные элементы раз­мерами порядка атомарных. Теоретически быстродействие таких элементов может составлять величину порядка 10-12 и даже 10-13 с, а высочайшая степень интеграции наноэлектронных структур по­зволяет реализовать запоминающие устройства со сверхвысокой плотностью записи информации порядка 10ю бит/мм2, что на три порядка превосходит возможности современных лазерных дисков.

    Однако повышение степени интеграции резко сужает область применения СБИС, так как они становятся слишком специализи­рованными и поэтому изготавливаются ограниченными партиями, что экономически невыгодно. Выходом из положения являются разработка и производство базовых матричных кристаллов. Такой кристалл содержит большое число одинаковых топологических яче­ек, образующих матрицу. Каждая ячейка содержит определенное число нескоммутированных элементов, подобранных таким обра­зом, чтобы из них можно было сформировать несколько функцио­нальных элементов (триггер, группу логических вентилей и т.д.). Выполняя металлическую разводку внутри топологических ячеек и соединяя их между собой, можно получать весьма сложные по ус­тройству электронные блоки, отличающиеся функциональными возможностями. На основе Одного базового матричного кристалла с помощью простой замены фотошаблонов металлизации можно реализовать большое число модификаций БИС.

    Возможности микроэлектроники далеко не исчерпаны, а пред­рекаемый предел ее развития как научной и технологической дис­циплины постоянно отодвигается во времени. Однако долгосро­чные прогнозы в такой динамично развивающейся области, как микроэлектроника, — дело неблагодарное. И даже если такой пре­дел будет достигнут, это вовсе не означает, что прогресс в обла­сти электроники остановится. На смену полупроводниковой тех­нике придут новые технологии, основанные на иных физических принципах. Возможно, это будет функциональная электроника, оптическая, квантовая или, наконец, биоэлектроника.