Програма курса и рекомендуемая литература (2011)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СОВРЕМЕННЫХ ЭВМФакультет ВМК, 3-й курс, 5-й семестрЛекции 3 часа в неделю; семинары 1 час в неделю, зачетЛекция 1. Введение в курсКомпьютер и информация: некоторые определения и история развития вычислительнойтехники, поколения компьютеров и их элементная база. Экспоненциальное развитие и законМура.

Роль полупроводниковых (ПП) материалов в элементной базе современных ЭВМ.Преимущества сверхбольших интегральных схем (СБИС) перед дискретнымикомпонентами. Технологическая база СБИС и степень интеграции. Фотолитография.Воспроизводимость параметров и минимальный топологический размер. Основныенаправления развития СБИС: кремниевые МОП структуры, арсенид - галлиевые и металл полупроводниковые структуры. Перспективы развития микроэлектроники.Лекция 2. Физические основы электропроводимости металлов и полупроводниковКраткие сведения из квантовой механики. Электроны, волны де Бройля, соотношениенеопределенностей, волновая функция.

Спектр электронных состояний в атомах, молекулахи кристаллах. Частица в одномерной потенциальной яме. Спектр электронных состоянийатома водорода и многоэлектронных атомов. Квантовые переходы. Виды химической связи.Понятие о зонной структуре. Принципы разделения веществ на проводники (металлы),полупроводники и изоляторы (диэлектрики). Электропроводность твердых тел. Модельэлектронного газа. Квантовая модель электропроводности. Трехмерный ящик. ЭнергияФерми. Плотность энергетических состояний. Распределение Ферми.

Электроны и дырки.Концентрация электронов в зоне проводимости. Собственная концентрация носителейзаряда в полупроводнике. Собственная и примесная проводимость полупроводников.Полупроводники n- и p-типа. Положение уровня Ферми в электрически нейтральномполупроводнике. Технологии легирования полупроводников.Лекция 3. Элементы физики полупроводников. Полупроводниковые диодыДиффузия и дрейф свободных носителей заряда в металлах и полупроводниках.

Закон Ома,длина свободного пробега и подвижность. Уравнение непрерывности. Электроннодырочные переходы и их характеристики. Высота потенциального барьера. Вольт-ампернаяхарактеристика и дифференциальное сопротивление p-n-переходов. Барьерная идиффузионная емкости. Полупроводниковые диоды.

Быстродействие полупроводниковыхдиодов. Типы полупроводниковых диодов. Контакт металл-полупроводник, диоды Шоттки.Омические контакты.Лекция 4. Биполярные и полевые транзисторыВзаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов. Биполярныетранзисторы. Основные схемы включения биполярных транзисторов.

Усиление тока инапряжения. Усилитель мощности. Особенности ключевого режима работы транзистора иего быстродействие. Транзисторы, изготовленные по планарной технологии.Многоэмитерные транзисторы. Полевые транзисторы. Металл-оксид-полупроводник МОП(МДП) структуры с изолированным затвором и их быстродействие.Лекция 5. Элементная база современных ЭВМАналоговое и цифровое представление информации.

Физическое представлениеинформации в компьютере. Двоичный код. «Высокое» и «низкое» состояния логическихсхем. Позитивная и негативная логики. Ключевой режим работы коммутирующегоэлемента. Реализация элементарных логических функций. Основные характеристикилогических элементов. Семейства логических схем, Потребляемая мощность, времязадержки распространения, энергия переключения, напряжение питания, коэффициентразветвления по выходу. Понятие о помехоустойчивости логического элемента.Лекция 6. Системный блок ЭВМАрхитектура фон Неймана и обобщенная структура системного блока: микропроцессор(МП), память, шина. Основные характеристики МП: технология изготовления, напряжениепитания, объем адресуемой памяти, разрядность шины данных, тактовая частота.

Цикл МПи его фазы. Взаимодействие МП и ОЗУ. Способы обмена информацией между МП ивнешними устройствами: синхронный, асинхронный и полусинхронный. Режимы работыпроцессора: прерывание, прямой доступ к памяти, ожидание. Внутренняя структурапроцессора (FSB, QPI, HyperTransport, cеверный и южный мосты). Шины и их основныехарактеристики (ISA, VESA, AGP, PCI, PCI-E). Мультиплексирование. Мультипроцессорныеи многоядерные конфигурации.

Специализированные МП.Лекция 7. Полупроводниковые запоминающие устройстваКонденсатор и триггер - простейшие ячейки памяти. Энергозависимая и энергонезависимаяпамять. Классификация ПП запоминающих устройств. Характеристики памяти: стоимость,емкость, быстродействие, потребляемая мощность, возможность доступа. Статическое идинамическое оперативное запоминающее устройство (СОЗУ и ДОЗУ).

Характеристики ипринципы работы. Организация, контроль работоспособности и методы регенерации ДОЗУ.Применение СОЗУ и ДОЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы развития.Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Элементы на основе структур с плавающимзатвором.

Стирание информации УФ излучением и электрическим полем. Применение ПЗУв ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы развития ПЗУ: Flash-память, MRAM.Лекция 8. Интерфейсы ввода-выводаФункции интерфейса ввода-вывода. Информационная, электрическая и конструктивнаясовместимость. Устройство типичного интерфейса. Методы доступа FIFO и LIFO.Функциональная и управляющая части интерфейса. Контроль паритета. Последовательный ипараллельные интерфейсы. Дуплексная и полудуплексная, синхронная и асинхронная связь.Основные характеристики некоторых универсальных интерфейсов: RS232, CENTRONICS,USB, FireWire, Thunderbolt. Некоторые специализированные интерфейсы: PATA, SCSI,SATA.Лекция 9.

Внешняя память в ЭВММагнетизм. Магнитные материалы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Криваянамагниченности ферромагнетиков: мягкие и жесткие ферромагнетики. Температура Кюри.Доменная структура. Принципы записи и считывания информации на магнитных носителях.Типы магнитных носителей и магнитных головок.

Предельная плотность записи и скоростьдоступа к записанной информации. Продольная и поперечная запись информации.Лекция 10. Внешняя память в ЭВМИспользование оптических явлений для повышения плотности записи информации намагнитных носителях. Магнитооптика. «Чисто» оптическая память - компакт диск (CD).Физические процессы и предельная плотность записи информации в оптике. Записываемые(R) и перезаписываемые (RW) CD и DVD диски. Blu-ray и HD-DVD технологии. Трехмерная(3D) оптическая память и голография: фоторефрактивные и фотохромные материалы,голографический диск (HVD).

Молекулярная память.Лекция 11. Связь ЭВМ с внешней средой: ввод и вывод информацииВвод и вывод цифровой и аналоговой информации. Цифро-аналоговое преобразование(ЦАП). Погрешности ЦАП. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Погрешности АЦП.Понятие о цифровом методе хранения и передачи аналоговой информации. Вводоптического изображения в ЭВМ, приборы с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-камера (CCD).Принципы отображения информации на твердом носителе - принтеры и плоттеры.Алфавитно-цифровые и графические принтеры.

Матричные, струйные, лазерные исветодиодные принтеры. Цветная печать.Лекция 12. Связь ЭВМ с внешней средой: вывод визуальной информацииПринципы отображения визуальной информации. Алфавитно-цифровые и графические(аналоговые) мониторы. Электронно-лучевая трубка. Физические процессы в ЭЛТ:термоэлектронная эмиссия, электростатическое ускорение и фокусировка, люминесценция.Формирование изображения: строчная и кадровая развертки. Отображение информации оцвете. Плоские мониторы - жидкокристаллические (ЖК) дисплеи (LCD), плазменные(газоразрядные) мониторы (PDP), дисплеи с автоэлектронной эмиссией (FED) и углеродныенаноструктуры, дисплеи на органических светодиодах (OLED) и электронная бумага.Стереоскопическое отображение информации и 3D дисплеи (голография).Лекция 13. Связь ЭВМ с внешней средой: линии связи между ЭВММетоды кодирования информации: амплитудная, фазовая, частотная и другие типымодуляции.

Виды распределенных линий для разных диапазонов частот. Двухпроводная(многопроводная) линия, и радиоканал. Телеграфное уравнение. Скорость распространениясигналов в линии. Волновое сопротивление. Согласование линии с нагрузкой. Модем.Передача данных через телефонные линии связи. Коаксиальный кабель и витая пара.Оптические волокна и волоконно-оптические кабели. Распространение света по оптическимволокнам.