Как называется миниатюрный компьютер все части которого размещены на одном кристалле кремния

Обновлено: 06.07.2024

История счётных устройств насчитывает много веков. Компьютер, в настоящее время незаменимый инструмент в деловых, промышленных и бытовых задачах, является наследником многих других изобретений, начиная с математики и вычислительных машин. Мы предлагаем вам кратко проследить историю этого изобретения.

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Компьютер "Эниак" . Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода- вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет.

Процесс отладки был наиболее длительным по времени. Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

ЭВМ "Урал". Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Деление компьютерной техники на поколения - весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.

Отечественные машины первого поколения:

МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.

Второе поколение компьютерной техники - машины, сконструированные примерно в 1955-65 гг.

Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов.

Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках . В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. Память на магнитных сердечниках обладала быстродействием до сотен тысяч операций в секунду, а ёмкость памяти составляла до нескольких десятков тысяч слов.

Появились так называемые языки высокого уровня , средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде.

Программа, написанная на алгоритмическом языке , непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд.

Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами , переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык .

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы , управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Операционная система - важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания.

Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера.

Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе . Наиболее ярким представителем ЭВМ второго поколения была ЭВМ БЭСМ - 6 . С появлением транзисторной элементной базы становится возможным создание относительно небольших, но обладающих значительными возможностями малых ЭВМ типа Проминь и Наири.

Машины третьего поколения созданы примерно после 60-x годов.

Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда "поколение" начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры .

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой , т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы , которые также называются микросхемами .

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы.

Они обладают возможностями мультипрограммирования , т.е. одновременного выполнения нескольких программ.

Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Краткое описание процесса изготовления микросхем.

ЧИП и ДИП. Как делают микросхемы.

🧭1 Разработчики с помощью компьютера создают электрическую схему новой микросхемы. Для этого они вводят в компьютер перечень свойств, которыми должна обладать микросхема, а компьютер с помощью специальной программы разрабатывает детальную структуру соединений и конструкций всех взаимодействующих элементов микросхемы.

🧭 2 Компьютер создаёт схемы расположения элементов на поверхности полупроводникового кристалла кремния. По этим схемам изготавливаются фотошаблоны - стеклянные пластинки со штриховым рисунком. Через фотошаблоны специальными лампами или источниками рентгеновского излучения, а иногда, и электронными пучками, освещают (засвечивают) нанесённый на поверхность кристалла кремния слой фото- или, соответственно, рентгеночувствительного лака.

🧭 3 Засвеченные (или, наоборот, незасвеченные) участки лака меняют свои свойства и удаляются специальными растворителями. Этот процесс называется травлением. Вместе с лаком с поверхности кристалла кремния удаляется и слой окисла, и эти места становятся доступными для легирования - внедрения в кристаллическую решётку кремния атомов бора или фосфора. Легирование обычно требует нагрева пластинки в парах нужного элемента до 1100 - 1200 °С.

🧭 4 Последовательно меняя шаблоны и повторяя процедуры травления и легирования, создают один за другим слои будущей микросхемы . При этом на одной пластинке кристалла кремния создаётся множество одинаковых микросхем.

🧭 5 Каждая микросхема проверяется на работоспособность. Негодные выбраковываются .

🧭 6 После завершения всех операций пластинки разрезаются на отдельные кристаллики с микросхемами, к ним присоединяют выводы и устанавливают в корпуса .

Четвёртое поколение - это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года. Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языко в и упрощение процесса программирования для конечного пользователя. В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой ёмкостью в десятки мегабайт.

Видимо и дня не проходит без того, чтобы кто-то не заговорил о квантовых компьютерах. Эта технология обещает нам устройства, работающие по принципу «быстрее, выше, сильнее», при этом пока сложно полноценно описать все ее преимущества и недостатки. Однако перспектива невероятно быстрых вычислений и передачи данных, а также хранения огромного объема данных «в маковом зернышке» несомненно привлекательна. И для достижения столь желанных высот необходимо много труда, ибо новая технология это новые принципы, новые устройства и, конечно же, новые материалы. Классические, как теперь принято называть, компьютеры в качестве материала-фундамента используют кремний. А что используют квантовые? Об этом и пойдет речь в исследовании, рассматриваемом нами сегодня. Что это за новые свойства уже известного вещества, почему внимание уделили именно ему и почему его величают «прорывом» в квантовых технологиях? Ответы сокрыты в докладе ученых. Осталось их только найти. Поехали.

Предыстория и основа исследования

Огромным стимулом для повторного изучения различных веществ с желанием найти в них свойства, полезные для квантовых технологий, стало открытие топологических изоляторов*. Подобные материалы впервые были описаны еще в 80-е годы, но реально их обнаружить удалось лишь в недалеком 2007 году.

Топологический изолятор* (ТИ) — материал, внутренняя часть которого является изолятором, а поверхностная проводит электрический ток.

Эти материалы подтолкнули ученых исследовать нестандартные поверхностные состояния* уже известных и определенно полезных для квантовых компьютеров веществ.

Поверхностное состояние* — электронное состояние поверхности твердого тела.

Поверхностные состояния, характерные топологическим изоляторам, могут иметь различное происхождение, к примеру сильное спин-орбитальное взаимодействие* или эффект электронной корреляции. В любом случае, если понять происхождение подобных состояний, то можно использовать их в реализации столь масштабного и амбициозного проекта как квантовые технологии.

Спин-орбитальное взаимодействие* — взаимодействие движущейся частицы и ее собственного магнитного момента, вызванное спином этой частицы.

Первым представителем ТИ стало соединение висмута, теллура и серы, известное под названием тетрадимит (Bi₂Te₂S). Поверхностное состояние тетрадимита было основано на спин-орбитальном взаимодействии и подкреплялось т-симметрией*.

T-симметрия* — симметрия уравнений по отношению к обращению времени (то есть к замене времени t на -t).

Также стоит упомянуть и топологические полуметаллы Дирака, такие как Cd₃As₂ и Na₃Bi. В них была обнаружена связь между зоной валентности* и зоной проводимости* в определенных дискретных точках зоны Бриллюэна*.

Валентная зона* — энергетическая зона электронного состояния твердого тела, заполненная валентными электронами и отвечающая за электропроводимость тела.

Зона проводимости* — энергетическая зона электронного состояния твердого тела незаполненная электронами.

Когда электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, пройдя запрещенную зону, они начинают перемещаться под воздействием электрического поля, т.е. участвуют в проводимости.

Зона Бриллюэна*

а) — для простой кубической решетки;
b) — для гексагональной решётки.

В данных материалах присутствует кристаллическая и инверсионная симметрия.

Весьма интересная ситуация была связана с другим полуметаллом, арсенид тантала (полуметалл Вейля). Еще в 1929 Герман Вейль сформулировал уравнение движения для безмассовой двухкомпонентной частицы, названное в его честь. Занимаясь этим, ученый предсказал существование так называемого фермиона Вейля. Вплоть до 2015 года никому не удавалось получить полуметалл Вейля, а следовательно и зафиксировать предсказанную им частицу с полуцелым значением спина. Когда же через кристалл арсенида тантала пропустили рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, ученым удалось изучить физические свойства необычного вещества. Обнаружены были возбуждения решетки, проявляющие себя как фермионы Вейля.

Фермионы Вейля удивительны тем, что в отличие от электронов не подвержены обратному рассеянию, когда частица наталкивается на препятствие. Частицы Вейля просто проходят сквозь или обтекают препятствие, будто его для них и нет вовсе.

Подобные материалы вызывают живейший интерес ученых, поскольку могут кардинально изменить мир компьютерных технологий благодаря своим необычайным свойствам.

Как мы видим, вполне достаточно и вышеперечисленных материалов для внедрения в квантовые технологии. Однако целью сегодняшних наших героев был поиск не просто подходящего материала, а воистину идеального, совмещающего в себе сразу несколько важных свойств.

Таким веществом стал металл Hf₂Te₂P, в котором были обнаружены топологические фермионные поверхностные состояния, пересечение Дирака и дуга Дирака. Весьма впечатляющая смесь в одном флаконе.

Экспериментальные измерения

Основным методом выявления всего вышеперечисленного послужила фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением.

Изображение №1: Кристаллическая структура и характеризация образца Hf₂Te₂P.

На изображении 1а представлена ромбоэдрическая тетрадимитовая кристаллическая структура Hf₂Te₂P. Квадратами выделены 2 группы плотнейшей пятислойной упаковки атомов*. Красная звезда указывает на центр инверсии*. Фиолетовые точки это Te (теллур), зеленые — Hf (гафний), а желтые — P (фосфор).

Пример плотнейшей упаковки атомов.

Инверсия* — преобразование пространства эквивалентное математическому понятию «отражение».

График 1b отображает температурную зависимость электросопротивления, измеренную в одном кристалле Hf₂Te₂P при воздействии магнитного поля перпендикулярно току, текущему в базисной плоскости кристаллографической элементарной ячейки. Коричневая линия — магнитное поле в 0 Тл; оранжевая линия — магнитное поле в 9 Тл.

Также на графике 1b мы видим изображение монокристалла* Hf₂Te₂P, выращенного для проведения данного исследования.

Монокристалл* — отдельный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.

График 1с отображает зависимость магнитосопротивления при различных температурах в монокристалле Hf₂Te₂P, когда ток протекает в базисной плоскости кристаллографической элементарной ячейки.

Проекция объемной зоны Бриллюэна на гексагональную поверхность той же зоны кристалла Hf₂Te₂P, где отмечены точки высокой симметрии, показана на рисунке 1d.

И, наконец, изображение 1е показывает результаты измерений уровня ядра Hf₂Te₂P. Тут видны большие пики Te 4d (теллур) и Hf 4f (гафний), что является показателем высокого качества испытуемого образца.

Помимо определения нескольких конусов Дирака* в точке Γ (изображение 1d) при различном уровне энергии связи* ниже и выше уровня Ферми*, также была выявлена дуга Дирака, централизованная в точке М вдоль направления Г-М-Г в плоскости импульса энергии.

Уровень Ферми* — увеличение энергии основного состояния системы при добавлении 1 частицы; максимальная энергия фермиона в основном состоянии при температуре абсолютного нуля.

Изображение №2: Поверхность Ферми и наблюдение множественных фермионных состояний

Изображения в группе 2а показывают различные поверхности Ферми при разном уровне фотонной энергии (80 эВ, 90 эВ и 100 эВ). Белыми пунктирными линиями под номером 1 и 2 обозначено направление дисперсии.

Изображения от b до d показывают карты дисперсии, измеренные вдоль различных высоко симметричных направлений при разном уровне фотонной энергии. Данные были получены с помощью экспериментальной станции источника синхротронного излучения* при температуре 18 К (-255.15 °C).

Синхротронное излучение* — электромагнитное излучение, которое испускают заряженные частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями по траекториям, искривлённым магнитным полем.

Изображение №3: экспериментальные наблюдения дуги Дирака.

На изображениях группы 3а видны контуры поверхности постоянной энергии при различных показателях энергии связи (от 0 до 1000 мэВ, миллиэлектронвольт). Отчетливо видна поверхность Ферми в форме цветка с шестью лепестками, говорящая о том, что даже в металлическом дираковском материале возможна столь ярко выраженная дисперсия. Ниже, на 3b, показаны контуры постоянной энергии ближе к дуге Дирака.

3с — дисперсионная карта по направлению K-M-K вдоль направления разреза, выявленная для поверхности постоянной энергии при уровне энергии связи около 1000 мэВ.

Приближаясь к подведению итогов стоит отметить все фермионные состояния, определенные в образце посредством расчетов и экспериментальных наблюдений.

Изображение №4: множественные фермионные состояния.

Подведение итогов

Как уже было сказано ранее, одним из важнейших наблюдений была поверхность Ферми в форме цветка с шестью лепестками, говорящая о том, что даже в металлическом дираковском материале возможна столь ярко выраженная дисперсия. Такой же важностью обладают и конусы Дирака с линейной дисперсией в широком диапазоне энергий (

2,3 эВ), что больше чем у полуметтала ZrSiS (

Стоит отметить, что в уже хорошо изученных топологических изоляторах n-типа Bi₂Se₃/Bi₂Te₃ (5a) экспериментально было обнаружено, что нижний и верхний поверхностные конусы Дирака располагают уровнем Ферми значительно выше точки Дирака (точки соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости). В случае с Sb₂Te₃, материалом p-типа, точка Дирака расположена значительно выше уровня Ферми (5b). В некоторых же других материалах наблюдается соприкосновение объемной проводимости и зоны валентности в одномерной петле, защищенной несимморфной симметрией (5с).

И все эти три феномена встречаются в одном материале сразу, в Hf₂Te₂P (5d, 5e). До сего момента еще ни один материал не мог похвастаться подобным.

Подобные исследования никоим образом нельзя назвать простыми. Квантовые технологии вообще сложно назвать легкими, по крайней мере мне. Однако подобный колоссальный труд может окупиться в стократ, поскольку обнаруженные исследователями ранее скрытые свойства известного материала могут расширить спектр возможностей в реализации квантовых вычислительных машин. Совокупность нескольких полезных свойств в одном материале могут быть преимуществом над сложностью его изготовления. Возможно, если кому-то не удастся найти альтернативу вышеописанному материалу, он может стать Розеттским камнем технологий будущего. Все эти исследования, хоть и подкреплены экспериментальными измерениями и наблюдениями, все же остаются по большей степени теоретическими. Лишь практическая реализация какого-либо устройства с использованием подобных материалов сможет на 100% уверить нас в его уникальности и невероятной полезности, о чем говорят ученые. В любом случае, торопиться не стоит. Долгий путь еще нужно преодолеть миру науки, чтобы подобные исследования вошли в историю, как открытия прошлого, повлиявшие на наше будущее.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Как устроен процессор. Почему за ARM будущее?Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

1. С чего все началось

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TestEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

2. Появление транзисторов

Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезизвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

3. Как работает транзистор

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние "0" или "1".

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Кремний (он же Si – "silicium" в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.

Диод + диод = транзистор

Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».

У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив "+" контакт на «центральную» p-область (базу), а "–" контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.

4. Так как все-таки работает компьютер?

Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.

А теперь самое главное.

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – "0".

При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или "1" в двоичной системе.

Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.

Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.

Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

5. И началась транзисторная гонка

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.

1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.

70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.

1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.

1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.

1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.

1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.

1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.

1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.

1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.

1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.

1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

6. Закон Мура или как чипмейкерам жить дальше

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

Можно выделить $5$ основных поколений ЭВМ . Но деление компьютерной техники на поколения — весьма условная.

I поколение ЭВМ: ЭВМ, сконструированные в $1946$-$1955$ гг.

1. Элементная база: электронно-вакуумные лампы.
2. Соединение элементов: навесной монтаж проводами.
3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов.

Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести крупные корпорации и правительства.

Лампы потребляли большое количество электроэнергии и выделяли много тепла.
4. Быстродействие: $10-20$ тыс. операций в секунду.
5. Эксплуатация: сложная из-за частого выхода из строя электронно-вакуумных ламп.
6. Программирование: машинные коды. При этом надо знать все команды машины, двоичное представление, архитектуру ЭВМ. В основном были заняты математики-программисты. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.
7. Оперативная память: до $2$ Кбайт.
8. Данные вводились и выводились с помощью перфокарт, перфолент.

II поколение ЭВМ: ЭВМ, сконструированные в $1955$-$1965$ гг.

В $1948$ году Джон Бардин, Уильям Шокли, Уолтер Браттейн изобрели транзистор, за изобретение транзистора они получили Нобелевскую премию в $1956$ г.

$1$ транзистор заменял $40$ электронных ламп, был намного дешевле и надёжнее.

В $1958$ году создана машина М-20 , выполнявшая $20$ тыс. операций в секунду — самая мощная ЭВМ $50-х$ годов в Европе.

1. Элементная база: полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды).
2. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.

3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста, но для размещения требовался специальный машинный зал.
4. Быстродействие: $100-500$ тыс. операций в секунду.
5. Эксплуатация: вычислительные центры со специальным штатом обслуживающего персонала, появилась новая специальность — оператор ЭВМ .
6. Программирование: на алгоритмических языках, появление первых операционных систем .
7. Оперативная память: $2-32$ Кбайт.
8. Введён принцип разделения времени — совмещение во времени работы разных устройств.

9. Недостаток: несовместимость программного обеспечения.

Уже начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей.

Так, небольшие отечественные машины второго поколения (« Наири », « Раздан », « Мир » и др.) были в конце $60$-х годов вполне доступны каждому вузу, в то время как упомянутая выше БЭСМ-6 имела профессиональные показатели (и стоимость) на $2-3$ порядка выше.

III поколение ЭВМ: ЭВМ, сконструированные в $1965$-$1970$ гг.

В $1958$ году Джек Килби и Роберт Нойс , независимо друг от друга, изобретают интегральную схему (ИС).

В $1961$ году в продажу поступила первая, выполненная на пластине кремния, интегральная схема.

В $1965$ году начат выпуск семейства машин третьего поколения IBM-360 (США). Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объёмом оперативной памяти и производительностью.

В $1967$ году начат выпуск БЭСМ - 6 ($1$ млн. операций в $1$ с) и « Эльбрус » ($10$ млн. операций в $1$ с).

В $1968$ году сотрудник Стэндфордского исследовательского центра Дуглас Энгельбарт продемонстрировал работу первой мыши.

В $1969$ году фирма IBM разделила понятия аппаратных средств (hardware) и программные средства (software). Фирма начала продавать программное обеспечение отдельно от железа, положив начало индустрии программного обеспечения.

$29$ октября $1969$ года проходит проверка работы самой первой глобальной военной компьютерной сети ARPANet , связывающей исследовательские лаборатории на территории США.

IV поколение ЭВМ: ЭВМ, сконструированные начиная с $1970$ г. по начало $90$-х годов.

В $1971$ году создан первый микропроцессор фирмой Intel . На $1$ кристалле сформировали $2250$ транзисторов.

1. Элементная база: интегральные схемы.
2. Соединение элементов: печатные платы.
3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек.
4. Быстродействие: $1-10$ млн. операций в секунду.
5. Эксплуатация: вычислительные центры, дисплейные классы, новая специальность — системный программист .
6. Программирование: алгоритмические языки, операционные системы.
7. Оперативная память: $64$ Кбайт.

При продвижении от первого к третьему поколению радикально изменились возможности программирования. Написание программ в машинном коде для машин первого поколения (и чуть более простое на Ассемблере) для большей части машин второго поколения является занятием, с которым подавляющее большинство современных программистов знакомятся при обучении в вузе.

Появление процедурных языков высокого уровня и трансляторов с них было первым шагом на пути радикального расширения круга программистов. Научные работники и инженеры сами стали писать программы для решения своих задач.

Уже в третьем поколении появились крупные унифицированные серии ЭВМ. Для больших и средних машин в США это прежде всего семейство IBM 360/370 . В СССР $70$-е и $80$-е годы были временем создания унифицированных серии: ЕС (единая система) ЭВМ (крупные и средние машины), СМ (система малых) ЭВМ и « Электроника » ( серия микро-ЭВМ).

В их основу были положены американские прототипы фирм IBM и DEC (Digital Equipment Corporation). Были созданы и выпущены десятки моделей ЭВМ, различающиеся назначением и производительностью. Их выпуск был практически прекращен в начале $90$-х годов.

В $1975$ году IBM первой начинает промышленное производство лазерных принтеров.

В $1976$ году фирма IBM создает первый струйный принтер.

Стив Джобс и Стив Возняк организовали предприятие по изготовлению персональных компьютеров « Apple », предназначенных для большого круга непрофессиональных пользователей. Продавался $Apple 1$ по весьма интересной цене — $666,66$ доллара. За десять месяцев удалось реализовать около двухсот комплектов.

В $1976$ году появилась первая дискета диаметром $5,25$ дюйма.

В $1982$ году фирма IBM приступила к выпуску компьютеров IBM РС с процессором Intel 8088 , в котором были заложены принципы открытой архитектуры, благодаря которому каждый компьютер может собираться как из кубиков, с учётом имеющихся средств и с возможностью последующих замен блоков и добавления новых.

В $1988$ году был создан первый вирус-«червь», поражающий электронную почту.

В $1993$ году начался выпуск компьютеров IBM РС с процессором Pentium .

1. Элементная база: большие интегральные схемы (БИС).
2. Соединение элементов: печатные платы.
3. Габариты: компактные ЭВМ, ноутбуки.
4. Быстродействие: $10-100$ млн. операций в секунду.
5. Эксплуатация: многопроцессорные и многомашинные комплексы, любые пользователи ЭВМ.
6. Программирование: базы и банки данных.
7. Оперативная память: $2-5$ Мбайт.
8. Телекоммуникационная обработка данных, объединение в компьютерные сети.

V поколение ЭВМ: разработки с $90$-х годов ХХ века

Элементной базой являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с использованием оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Читайте также: