Элементная база вычислительной техники

Элементная база вычислительной техники

Программа вступительного экзамена в магистратуру

По специальности

Информатика и вычислительная техника

Магистерские программы:

230104 «Мкропроцессорные системы»

230109 «Технология разработки программных систем»

Элементная база вычислительной техники

1.1 Логические элементы. Классификация и основные характеристики.

1.2 Статические и динамические характеристики логических элементов

1.3 Помехоустойчивость логических элементов.

1.4Методы построения комбинационных логических схем. Схемы сравнения. Счетчики и сумматоры, их классификация.

1.5 Триггерные элементы и системы синхронизации.

1.6 Правила проектирования логических устройств с применением:
— однотактных триггеров с однофазной системой синхронизации;
— однотактных триггеров с двухфазной системой синхронизации;
— двухтактных триггеров с однофазной системой синхронизации.

1.7 Технология изготовления БИС. Классификация. Основные технологические процессы.
Характеристика современного уровня и анализ перспектив.

1.8 Разновидности БИС. БИС программируемые изготовителем аппаратуры.
Полузаказные БИС. Заказные БИС. Особенности проектирования и области применения.

1.9 Технология проектирования БИС. Логическое проектирование, схемотехническое проектирование, физическое проектирование, их взаимосвязь. Обеспечение контролепригодности.

1.10 БИС изготавливаемые по технологии КМОП, их характеристики и роль в современных информационных технологиях.

1.11 Разновидности КМОП статических логических элементов. Схемотехника и основные характеристики.

1.12 Динамическая схемотехника в БИС КМОП типа.

1.13 Быстродействие и рассеиваемая мощность КМОП БИС. Способы снижения мощности. Проблемы низковольтовой схемотехники.

1.14 Запоминающие устройства. Статические ОЗУ. Динамические ОЗУ.
Способы увеличения полосы пропускания динамических ОЗУ. Постоянные ЗУ и программируемые ЗУ.

1.15 Микропроцессоры. Эволюция архитектур микропроцессоров. Основные платформы и перспективы их развития.

1.16 Использование новых физических принципов для создания элементной базы вычислительных средств 21 века.

Поколение ЭВМ – период развития вычислительной техники, отмеченный относительной стабильностью архитектуры и технических решений. Смена поколений ЭВМ обычно связана с переходом на новую элементную базу, что приводит к скачку в росте основных характеристик ЭВМ.
Признаки отличающие одно поколение от другого: 1. элементная база, 2. быстродействие, 3. объем оперативной памяти, 4. устройства ввода-вывода, 5. программное обеспечение.

Поколение Элементная база Быстродействие (операций в секунду) Объем ОП Устройства ввода-вывода Программное обеспечение Примеры
Первое поколение, после 1946 года Электронные лампы, реле 3х10 5 64 Кб Пульт управления, перфокарта Машинные языки, однопользовательский режим ENIAC, MARK-3, SWAC, IAS, BINAC, UNIVAC, MANIAC, WhirlWind-1, ORDVAC, IBM 701 (США) Gamma-40 (Франция) LEO, DEDUCE (Англия) МЭСМ, БЭСМ, Минск-1, Урал-2, М-20 (СССР)
Второе поколение, после 1955 года Транзисторы 3х10 6 512 Кб Перфокарты, перфоленты, АЦПУ, магнитный барабан, магнитные ленты Алгоритмические языки, диспетчерские системы, пакетный режим IBM 701, RCA-501, IBM 7090, LARC, Stretch; (США) ATLAS (Англия) Раздан, Наири, Минск, МИР, Урал, Днепр, М-400, БЭСМ-6, БЭСМ-4, Минск-22, Минск-32 (СССР)
Третье поколение, после 1964 года Интегральные схемы (ИС) 3х10 7 16 МГб Видеотерминальные системы, магнитные диски Операционные системы, режим разделения времени PDP-8,PDP-11,B3500, IBM 360 (США) ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ (СССР)
Четвертое поколение, после 1975 года Большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) более 3х10 7 более 16 МГб Цветной графический дисплей, графопостроители, мышь, магнитные диски, сканер, оптические, лазерные устройства, устройство голосовой связи, Flash-карты Базы и банки данных, персональный режим работы, сетевая обработка данных ILLIAS 4, Cray-серией, Burroghs (США) ЕС 1191, ЕС 1766,Эльбрус (СССР)
Пятое поколение, начало проектирования 1982 год Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) Экспертные системы ? ? ?

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.

Читайте также:  Белая плитка для кухонного фартука

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.

Почтовые серверы служат для организации электронной почты. Именно на жестких дисках таких серверов создаются почтовые ящики, куда приходят сообщения для пользователей.

К серверам печати подключены принтеры, и они предоставляют услуги для других компьютеров, пользователи которых распечатывают свои документы с помощью серверов печати.

Читайте также:  Моющее средство для посуды мама

Файл-серверы являются хранилищами информации (файлов). По запросу клиентов они пересылают необходимые файлы, которые хранятся жестком диске. Существуют серверы приложений, которые, по запросу клиентов выполняют некоторую программу, а клиенту отсылают только результаты. Серверы доменных имен расположены в Internet. Они принимают пользователя доменное имя (например, www.sport.ru) и преобразуют цифровой IP-адрес. Маршрутизаторы используют IP-адрес для определен пути, по которому будет передано сообщение.

В заключение еще раз отметим, что рассмотренные классификацию известной мере условны, так как границы между группами ЭВМ размыты и очень подвижны во времени.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Микроэлектроника — раздел электроники, разрабатывающий проблемы микроминиатюризации электронных схем и устройств с одновременным повышением их надежности.

М. э. б. в. т. закономерный этап развития элементной базы электронных вычислительных машин. Цифровая вычисл. техника, для которой характерно использование большого количества однотипных элементов, явилась первой й наиболее эффективной областью приложения микроэлектроники.

На первом этапе становления М. э. б. в. т. обн. элементами ЦВМ стали интегральные схемы (ИС) с малой степенью интеграции, включающие в себя по несколько десятков компонентов и предназначенные для выполнения функций таких простейших электронных узлов, как инвертор, триггер, логические схемы «НЕ И», «НЕ ИЛИ» и т. п. На этом этапе разработано большое количество различных функционально полных систем интегральных логических элементов в основном на обычных (биполярных) транзисторах и транзисторах со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП-транзисторах).

1. Типовые электрические схемы интегральных логических элементов на биполярных транзисторах.

Системы логических ИС на биполярных транзисторах можно разделить на следующие основные типы (рис. 1): а — схемы с непосредственной связью, б — резистивно-транзисторные схемы, в — схемы с RC-связями, г — диодно-транзисторные схемы, д — транзистор-транзисторные логические схемы с одно- и мно-гоэмиттерными транзисторами; е — транзисторные схемы с эмиттерной связью (токовые ключи). В каждом из этих основных типов можно выделить несколько подтипов, причем даже схемы одного подтипа могут отличаться по конструкции, технологии и параметрам. В самых быстродействующих из выпускаемых интегральных логических схем среднее время, задержки сигнала составляет от 2 до 5 нсек при рассеиваемой мощности 50 — 100 мет, а самые маломощные рассеивают не более 1 мквт при средней Задержке 5 — 10 мксек; допустимый уровень помех . Функционально полная система Логических

ИС содержит обычно универсальный логический элемент типа «НЕ И», «НЕ ИЛИ», который для обеспечения большей гибкости проектирования дополняется другими схемами, напр., «мощной» схемой с коэффициентом разветвления свыше и большой допустимой емкостью нагрузки, схемами, позволяющими увеличивать коэффициент объединения на входе, триггерными схемами и т. д. Всего в функционально полную систему входит, как правило, от 5 до 8 различных ИС, но иногда и свыше 20. Все системы интегральных логических элементов, как правило, являются потенциальными.

2. Структура многослойной печатной платы для монтажа интегральных схем: 1 — слои из эпоксидного стеклопластика; 2 — активный элемент; 3 — интегральная схема; 4 — теплоотводящие полоски; 5 — контактные лепестки; 6 — межслойные соединения; 7 — ввод; 8 — слои печатного монтажа; 9 — шины питания; 10 — заземление.

Для монтажа ИС при компоновке их в узлы и блоки широко используют печатные схемы. Соединение ИС в узлы без пересечений проводников вообще можно обеспечить с помощью двухсторонних печатных плат. Стремление к повышению плотности монтажа привело к созданию более сложных многослойных печатных плат, состоящих из ряда чередующихся слоев изолирующего материала и плоских схемных проводников. Различия между многими видами многослойного монтажа заключаются гл. обр. в методах выполнения мёжслойных соединений. ИС размещают обычно на внешней стороне платы (рис. 2) и соединяют их с печатными проводниками, применяя электроннолучевую и лазерную сварку, пайку и сварку сопротивлением, программированную электросварку, групповые методы пайки (волной, погружением и т- п.), ультразвуковую и диффузионную связь и др. Паяные и сварные соединения остаются пока наиболее ненадежным звеном сложных микроэлектронных систем. На одной печатной плате располагают обычно по несколько десятков, а иногда и сотен ИС. Платы 1-го уровня (т. н. ТЭЗы — типовые элементы замены) в свою очередь монтируют на крупных печатных панелях.

При переходе на М. э. б. в. т. изменились не только физическая реализация и технология изготовления логических элементов, но и подход к проектированию узлов и блоков электронной вычислительной машины (ЭВМ). При разработке машин 1-го и 2-го поколений, напр., традиционной была задача минимизации числа активных элементов (ламп, транзисторов и диодов). Развитие новой технологии привело к тому, что сложность и стоимость изготовления активных и пассивных компонентов почти сравнялись, а в ряде схем замена пассивных компонентов активными оказалась даже выгодной. В результате на первый план выдвинулись задачи разработки таких методов синтеза логических и монтажных схем, которые бы приводили к уменьшению количества используемых ИС, к минимизации числа соединений и длины связей между ними, к сокращению количества пересечений соединительных проводников и т. д. Применение даже простейших ИС позволило заметно уменьшить габариты ЭВМ, снизить потребляемую ими мощность и стоимость, резко сократить количество паяных или сварных соединений и в результате — значительно повысить надежность. Благодаря этому появилась возможность ввести в ЭВМ дальнейшие логические усложнения и строить системы, ко сложности и информационной производительности намного превосходящие ЭВМ 1-го и 2-го поколений.

На 1-м этапе становления М. э. б. в. т. средняя плотность размещения компонентов в устройствах и системах в целом, будучи намного выше, чем в транзисторных ЭВМ, оказывалась все же в 104 -н 106 раз меньше достигнутой в микросхемах. Излишне большое количество корпусов и паяных (сварных) соединений, связанное с применением ИС с малой степенью интеграции, приводило также к значительному снижению надежности, в силу чего надежность аппаратуры в целом оказывалась намного ниже надежности ИС. Отсюда вытекало характерное для микроэлектроники в целом стремление к повышению степени интеграции схем, к размещению и герметизации в едином корпусе целых функциональных блоков, содержащих все большее число компонентов и простейших схем.

Совершенствование технологии изготовления ИС, непрерывное уменьшение размеров компонентов и увеличение процента выхода годных схем позволили во 2-й половине 60-х годов создать ИС с повышенной степенью интеграции, а затем и т. н. большие интегральные схемы (БИС), содержащие уже не десятки, а сотни — тысячи микрокомпонентов, и способные выполнять более сложные функции, чем простейшие логические операции типа «НЕ И», «НЕ ИЛИ». Значительных уровней интеграции удалось достичь в гибридно-пленочных и полупроводниковых (твердых) схемах (см. Интегральная схема), особенно в микросхемах на МДП-транзисторах. Создание и применение БИС положило начало 2-му этапу в развитии М. э. б. в. т., очередному скачку в увеличении надежности и плотности компоновки и в снижении стоимости, объема и веса кибернетических устройств.

Переход к БИС выдвинул ряд ноных проблем. Одна из них (технологическая) связана с тем, что с увеличением числа компонентов в схеме быстро возрастает и вероятность порчи некоторых из них при изготовлении, в результате чего становится непригодной вся БИС. Поэтому для каждого уровня развития технологии существует оптимальная степень сложности, при которой процент выхода годных схем еще оправдан экономически. Для полупроводниковых схем на биполярных транзисторах, напр., эта степень сложности составляла к концу 60-х годов 20 ст. порядка 100 компонентов на схему, а для схем на МДП-транзисторахигибриднопленочных была несколько выше. Производство БИС более высокой сложности требует наличия избыточных компонентов. В этом случае для создания БИС применяют метод избирательных соединений: с помощью микрозондов определяют расположение годных компонентов, ориентируясь только на них, проектируют требуемую БИС и соответствующий ей рисунок межсоединений, который выполняют с помощью программно управляемого электронного или светового луча. Другой метод — создание универсальных БИС с большой избыточностью компонентов, которые уже после изготовления и испытаний можно настраивать на выполнение требуемой функции с учетом неработоспособных элементов (напр., диодные и транзисторные матрицы, в которых любой элемент может быть отключен от соответствующего узла схемы пропусканием импульса тока, достаточного для разрушения легкоплавкой соединительной перемычки). БИС высокого уровня сложности изготовляют также посредством монтажа на единой многослойной плате с заранее подготовленными межсоединениями малых ИС, выполненных в виде отдельных кристалликов с балочными или шариковыми выводами (многокристальные БИС).

Читайте также:  Металл защищающий от коррозии

Вторая проблема, связанная с применением БИС, — стандартизация. Чем выше уровень интеграции схем, чем больше компонентов размещено в одном корпусе, тем огромнее разнообразие возможных типов БИС и труднее выбрать ограниченную номенклатуру стандартных схем. Частичным решением этой проблемы является создание и использование в первую очередь БИС широкого применения, таких как статические и сдвиговые регистры, сумматоры, счетчики и т. д. Второе возможное решение — построение формируемых БИС, содержащих избыточные элементы и настраиваемых на выполнение той или иной заданной функции после изготовления, о которых уже шла речь выше. Наиболее перспективным решением проблемы является разработка и освоение таких методов производства БИС, которые позволяли бы легко перестраиваться на выпуск функциональных схем различных типов, специально разработанных для конкретного кибернетического устройства или системы. Этот путь позволяет получить наибольший выигрыш от применения БИС, сохраняя в то же время необходимую гибкость проектирования устройств и систем. При этом проектирование и производство вычислительных машин все более тесно переплетаются с проектированием и производством функциональных схем и узлов.

Раньше проектирование функциональных узлов ЭВМ могло быть оторвано от изготовления элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и простых ИС) и отправлялось от них, как от готовых деталей. При проектировании же функциональных узлов, изготавливаемых в виде БИС, нужно отправляться уже непосредственно от свойств полупроводников и тонких пленок, разрабатывая и рассчитывая не просто схему соединения готовых элементов, а всю топологическую и физическую структуру БИС и технологический процесс ее изготовления с учетом сложных электромагнитных, тепловых и других взаимодействий всех ее компонентов. Такие усложнения задач проектирования и производства при переходе к БИС, необходимость оперативного решения многих из них (папр., проектирование рисунка межсоединений в БИС с учетом «расположения» годных компонентов в ходе изготовления; перестройка технологической линии на выполнение нового рисунка или на выпуск БИС другого типа и т. д.) требуют автоматизации этих работ с применением ЭВМ. Ввиду этого развитие микроэлектроники и вычислительной техники становятся взаимно обусловленными процессами (см. Автоматизация проектирования ЦВМ). На 1-м этапе развития М. э. б. в. т. стало ясно также, что низкая плотность компоновки и низкая надежность кибернетических систем по сравнению с достигнутыми в микросхемах являются следствием не только применения ИС с малой степенью интеграции, но и того, что значительная часть оборудования ЭВМ, в частности внешнее оборудование и запоминающие устройства, (ЗУ), не были переведены на микроэлектронное исполнение. Необходимость комплексной микроминиатюризации вычислительной техники привела к созданию наряду с цифровыми и различных типов линейных ИС для ЭВМ. Такими ИС являются, напр., операционные дифференциальные усилители постоянного тока с большим коэфф. усиления напряжения, усилители считывания, формирователи токов записи и считывания, усилители-формирователи выходных импульсов. Значительные усилия были направлены на микроминиатюризацию, повышение надежности, быстродействия и информационной емкости, снижение потребляемой мощности и стоимости ЗУ. На первом этапе развития М. э. б. в. т. наилучшие результаты дало совершенствование ферритовых ЗУ. Созданы и стали широко использоваться миниатюрные тороидальные ферритовые сердечники с внутренним диаметром 0,2-0,3 мм. и микроферриты с несколькими отверстиями. Стоимость оперативных ЗУ (ОЗУ) на ферритовых сердечниках остается пока ниже стоимости ОЗУ других типов. Поиски групповых методов изготовления привели к созданию ЗУ на ферритовых

пластинах с микроотверстиями и на т. н. «слоистых» ферритах.

Другое направление — это разработка ЗУ на тонких магнитных пленках (плоских и цилиндрических). Во 2-й половине 60-х годов были созданы и начали применяться магнитопленочные ОЗУ средней информационной емкости с периодом обращения порядка сек, совместимые с устройствами управления на ИС. В ЗУ этого типа массивы магнитных запоминающих элементов со всеми необходимыми селектирующими проводниками формируются в ходе единого технологического процесса и по существу представляют собой БИСы, функция которых — запоминание, хранение и выдача информации.

Многообещающим направлением в микроминиатюризации ЗУ является создание монолитных блоков памяти на основе полупроводниковых БИС. С развитием микроэлектронной технологии стало вполне реальным построение быстродействующих, надежных и в то же время сравнительно дешевых устройств хранения фиксированной информации на основе интегральных диодных и транзисторных матриц, а также оперативных ЗУ на основе транзисторных (биполярных и МДП) триггеров и полупроводниковых приборов с отрицательным дифф. сопротивлением. Основными достоинствами интегральных полупроводниковых ЗУ являются высокое быстродействие считываний в 1 сек) при емкости бит, а также хорошая схемная и технологическая совместимость с логическими ИС, что позволяет создавать ЦВМ по единой технологии. ЗУ на полупроводниковых БИС широко используют для создания т. н. сверхоперативной памяти, а также буферных и других промежуточных ЗУ. Определенные успехи достигнуты и в микроминиатюризации устройств отображения информации. Появились компактные плоские электролюминесцентные индикаторные экраны, а также полупроводниковые цифровые индикаторы на основе светодиодов из карбида кремния и фосфида галлия, которые по своим электрическим характеристикам хорошо согласуются с ИС.

Достижения в области М. э. б. в. т. могут быть проиллюстрированы на нескольких типичных примерах ЦВМ 3-го поколения. Одним из первых описанных в литературе образцов микроэлектронных вычисл. устройств была разработанная в США бортовая ЦВМ весом 285 г, выполненная на монолитных кремниевых ИС. Это синхронная ЦВМ общего назначения, последовательного типа, работающая в двоичном коде с фиксированной запятой с частотой синхронизации 100 кгц. Длина машинного слова — 11 разрядов, один из них знаковый. Машина состояла из 587 ИС трех типов, которые размещались на 47 модулях, соединяемых с основной панелью при помощи разъемов. Каждый модуль эквивалентен блоку, содержащему в среднем 150 обычных дискретных элементов, а вся машина в целом — примерно 8500 элементам. Потребляемая ею мощность не превышала Выполняя все функции использовавшейся ранее транзисторной ЦВМ на дискретных элементах, микроэлектронная машина оказалась в 150 раз меньше по объему, в 48 раз легче и имела значительно более высокую надежность.

ЦВМ «IBM 360—92» при почти одинаковых габаритах оказывается надежнее, примерно в 100 раз производительнее и может решать значительно более сложные задачи, чем известная ЦВМ той же фирмы «IBM 7090», относящаяся ко 2-му поколению.

Ближайшие перспективы развития М. э. б. в. т. связаны с продолжающейся тенденцией ко все большей интегрализации», т. е. к одновременному изготовлению и герметизации в едином корпусе все большего количества элементов и узлов ЭВМ. В недалеком будущем в виде единой БИС или ГИС («гигантской» интегральной схемы) будут изготовляться целые узлы или даже устройства вычислительных машин. Совершенствование технологии и автоматизация изготовления сделают возможным проектирование и производство ЭВМ почти целиком из БИС., что приведет к дальнейшему повышению надежности и удельной информационной мощности машин. Немаловажную роль должно сыграть и то, что М. э. б. в. т., благодаря повышению надежности, уменьшению размеров и стоимости узлов и устройств позволяет строить весьма разветвленные информационные системы, открывает новые пути для совершенствования их логической структуры.

Более далекие перспективы М. э. б. в. т. связаны с характерным для микроэлектроники выдвижением и развитием новых принципов и направлений, в которых делаются попытки выйти за рамки понятий классической теории электрических цепей и реализовать требуемые схемные функции проще, основываясь на использовании и других физических свойств материалов. В оптоэлектронике, напр., для улучшения характеристик и расширения функциональных возможностей схем, наряду с электрическими и магнитными, используются также оптические явления и свойства материалов. В криогенной электронике для создания малогабаритных, экономичных и быстродействующих логических схем и ЗУ используют физические явления в твердых телах при низких температурах. Новые перспективные направления могут быть связаны и с устройствами переработки информации на нейристорах — активных передающих линиях. Всем новым направлениям в микроэлектронике присуще стремление к микроисполнению соответствующих устройств, что является залогом непрерывного уменьшения габаритов и стоимости, повышения надежности и расширения функциональных возможностей вычислительных машин и систем.

Лит.: Долкарт В. М., Новик Г. X., Колтыпин И. С. Микроминиатюрные аэрокосмические цифровые вычислительные машины. М., 1967 [библиогр. с. 345—346]; Микроэлектроника, в. 1. М., 1967; Микроэлектроника. Пер. с англ. М., 1966; Микроэлектроника и большие системы. Пер. с англ. М., 1967; Введение в микроэлектронику. Пер. с англ. М., 1968. В. М. Корсунский.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector