lection 1 (2013) (Презентации лекций), страница 2

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПоколения компьютеров и их элементная базаТомас Эдиссон –открыватель явлениятермоэлектроннойэмиссии«Пальчиковые» лампыВ 40-х годах ХХ века появляются первые компьютеры на базевакуумных электронных приборов - ламп (первое поколениекомпьютеров с архитектурой фон Неймана).В 50-х – начале 60-х годов ХХ века на смену лампам приходятдискретные полупроводниковые устройства – транзисторы идиоды (второе поколение),В конце 60-х начинают использоваться полупроводниковые ИС(чипы), в зависимости от степени интеграции говорят о третьеми четвертом поколениях компьютеровФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1.

Введение в курсПочему именно электроника ?1) Бесконтактное воздействие на заряженные частицыэлектрическим / магнитным полем2) Скорость распространения управляющих сигналовс = 3 × 1010 см/cек3) Малая масса заряженной частицы (электрон)me = 9 × 10-28 грамм4) Малая величина элементарного зарядаqe = 1.6 × 10-19 Кулона5) Малая энергия теплового движения элементарногозаряда при Т = 300 К1 эВ = 1.6 × 10−19 Дж = 11 600 К6) Малая энергия, нужная для записи бита информации.На сегодня это~ 100 × 1 эВ = 1.6 × 10−17 ДжФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПоколения компьютеров и их элементная базаТомас Эдиссон –открыватель явлениятермоэлектроннойэмиссииЭлектронная лампа - электровакуумный прибор (точнее,вакуумный электронный прибор), работающий за счетуправления интенсивностью потока электронов, движущихсяв вакууме или разреженном газе между электродами.Электронные лампы массово использовались в ХХ веке какактивные элементы электронной аппаратуры (усилители,генераторы, детекторы, переключатели и т.п.). В настоящеевремя практически полностью вытесненыполупроводниковыми приборамиПринцип действия:За счет термоэлектронной эмиссии электроны покидаютповерхность металлического катодаЗа счет разности потенциалов между анодом и катодомэлектроны двигаются к аноду, возникает анодный ток вовнешней цепиМеняя потенциал дополнительных электродов (сеток),величиной анодного тока можно управлятьФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПоколения компьютеров и их элементная базаПервыми полупроводниковыми устройствами, созданнымидля применения в детекторных радиоприемниках, были т.н.точечные диоды (1899, К.Ф. Браун), которые изготавливалина основе сульфида свинца (Pb) и окиси олова (Sn). Позжебыли созданы полупроводниковые диоды и транзисторы набазе германия (Ge). Еще позже появились полупроводникина основе кремния (Si)Карл Фердинанд БраунПолупроводниковые диодыФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПоколения компьютеров и их элементная базаВсе перечисленные элементы находятся в одной колонкепериодической системе Менделеева и по мере развитияэлектроники происходит движение по этой колонке вверх.Логично допустить, что последующими востребованнымиполупроводники станут материалы на базе углерода (C)Д.И. МенделеевПериодическая таблица элементовВ компьютерах живых существ(мозге) используются нейроны длинные молекулы, одним изглавных компонентов которыхявляется именно углеродФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсЭкспоненциальное развитие и закон Мура1965 - Гордон Мур, доклад «Будущее интегральнойэлектроники», график (5 точек, период 1959–1964),связывающий число компонентов на чип (и ихминимальную цену) и времяЭти чипы - источник закона МураОсновной вывод Мура: «Число компонентов начипе удваивается каждый год»На базе экстраполяции этой (экспоненциальной)зависимости был сделан прогноз развитиямикроэлектроники на следующие 10 лет, и этотпрогноз оправдался (!!!).19 апреля 1965 - отредактированная версиядоклада публикуется в журнале «Electronics»Закон Мура (биполярная иполевая логика, память, 1975)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсЭкспоненциальное развитие и закон МураУчитывая полное число клеток (64), получаем число зерент.е. примерно 1,2 триллионов тоннИзобретатель шахмат Сесса (Сисса)попросил за первую клетку шахматной доскизаплатить ему одно зерно пшеницы (риса),за вторую - два, за третью - четыре и т.д.,т.е. удваивая количество зёрен на каждойследующей клеткеФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсЭкспоненциальное развитие и закон МураТехнологические нормысложных микросхем. Падаети их цена - правда, не вдвое,а примерно в 1,5 раза прикаждом переходе наочередной техпроцессФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсЭкспоненциальное развитие и закон МураТехнологические нормы дляпроцессоров Intel.По мнению компании, 15-нмтехпроцесс должен статьпервым, где будет примененэкстремальныйультрафиолет (EUV)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1.

Введение в курсЭкспоненциальное развитие и закон МураПлощадь кристалла длянаиболее сложныхмикросхем (процессоры ипамять) на указанный по осиабсцисс год.Тенденция до 90-х годов увеличение площади на 14%в год (прямая линия) остановлена, но площадьсамых сложных кристалловдостигает 400-500 мм²Физические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсЭкспоненциальное развитие и закон МураЭкспоненциальный ростчисла транзисторов накристалле интегральнойсхемы.Начиная с 70-х годов этотрост для микросхем памятии процессоров идетменьшими темпами - 58 % и38 % в годФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсЭкспоненциальное развитие и закон МураСтоимость современного завода (илиего стоимость после обновления)выросла в 70 раз за 30 лет, а ценакаждого транзистора упала в 2000 разУдельные цены пластины и микросхемза единицу характеристики.

Линиясоответствует ежегодному падениюцены на 35% (в 1,54 раза)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПолупроводники в современных ЭВМ1947 - У. Шокли, Bell Labs, точечный транзистор1951 - У. Шокли, Bell Labs, биполярный транзистор1956 - У. Шокли, Нобелевская премия за открытиетранзисторного эффектаТочечный транзистор (1947)1952 - Bell Labs, продажа лицензий на выпускбиполярных транзисторов ($ 25000, 26 фирм)Планарный транзистор (1951)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПолупроводники в современных ЭВМ1954 - Bell Labs, транзистор с толщиной базы1 мкм (частота 170 МГц)1955 - Bell Labs, первый полевой транзисторСхема из патента Эрни напланарный транзистор1955 - Bell Labs, в производстве уже используются всеосновные технологические операции микроэлектроники:осаждение изолятора, фотолитография с масками (200мкм), травление и диффузияРучная нарезка маски дляфотолитографииФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПолупроводники в современных ЭВМКристалл интегральной схемы(триггер, 1960)Патент Нойса на планарнуюинтегральную схему (1959)1952 - Джэффри Даммер, идея интегральной схемы («брусок без проводов»)1958 - Джэк Килби, первая интегральная схема (пять элементов, генератор)2000 - Джэк Килби, Нобелевская премия за создание интегральной схемыФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсПолупроводники в современных ЭВМ1959 - Джон Аталла и Дэвон Канг, Bell Labs,полевой транзистор с изолированнымзатвором (МОП)Патент на полевойтранзистор (1960)1963 - транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)1963 - Фрэнк Уанласс, Fairchild, использованиекомплементарных МОП (КМОП) структуруменьшает энергопотребление в статике~1.000.000 раз4-битный ЦП Intel i4004Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 1. Введение в курсКремний на изоляторе1998 - IBM, технология «кремний наизоляторе» (КНИ, SOI): на кремниевойпластине формируется слой SiO2(изолятор), а поверх него - тонкий слой SiКремний на изоляторе (IBM, 1998)Строго говоря, «кремний на сапфире»(КНС) - это тоже КНИ, т.к.