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?
История развития
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.
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.
Развитие
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.
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.
Как создаются?
- 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?
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.
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.
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.
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.
О преследуемых целях
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.
Заключение
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.
