Бройдо В.Л., Ильина О.П. Архитектура ЭВМ и систем (2006) (1186249), страница 20
Текст из файла (страница 20)
98 Глава 6. Логические основы построения вычислительной машины Рис. 6.2. Графические стандартные обозначения логических блоков Электронные технологии и элементы, применяемые в ЭВМ Электронные технологии и элементы, на основе которых создавались ЭВМ, многократно изменялись. Машины первого поколения строились на электронных лампах, второго — на дискретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах — транзисторах), третьего и последующих — на интегральных полупроводниковых схемах. Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, использовались следующие системы элементов: С3 резисторно-диодные; С3 резисторно-транзисторные; О феррито-транзисторные; 0 диодно-транзисторные; С1 транзисторно-транзисторные.
Наибольшее распространение в современных интегральных схемах получили транзисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ вЂ” транзисторно-транзисторно логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах. В этой системе обеспечивается полная однородность структуры микросхемы — они содержат только транзисторы, что облегчает технологию их изготовления. Архитектура используемых в ЭВМ транзисторов также изменялась: С3 в машинах второго поколения применялись биполярные германиевые и крем- ниевые рпр- и прп-транзисторы; Электронные технологии и элементы, применяемые в Эвм а в интегральных схемах применяются униполярные полевые МОП-транзисторы (МОП вЂ” металл-оксид-полупроводник, или МОЯ: Мега)-Ох!г)е-Яеппсопг) г ).
Полевые транзисторы (рис. 6.3) имеют три электрода: а затвор (аналог базы биполярных транзисторов); а исток (аналог эмиттера); а сток (аналог коллектора). Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния', управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в прп-транзисторах) или дырок (как в рпр-транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП-транзисторы и называются полевыми.
Униполярные транзисторы имеют ббльшее быстродействие, нежели биполярные, ибо механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке (рис. 6.3). Изолятор Исток Рис. 6.3. Структура полевого транзистора Изменялась и архитектура систем логических элементов. Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей: а пМОП; а рМОП; а МОП с дополнительной симметрией (КМОП-транзисторы — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, СМОЗ вЂ” Сошр1ешепгагу Мега! ОхЫе Бепнсопдпссог). Первоначально нолевые транзисторы назывались МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-проводник), но, поскольку в качестве диэлектрика стал использоваться оксид кремния, их переименовали в МОП транзисторы.
Но, вероятно, в ближайшее время придется вернугъся к их первоначальному названию, ибо в качестве изолятора начинает использоваться другой более эффективный диэлектрик, обладающий меньшей, чем оксид, диэлектрической пронинаемостью и тем самым создающий меньшие величины паразитных емкостей между электродами. 1ОО Глава 6. Логические основы построения вычислительной машины Транзисторы иМОП с каналом и-типа работают на основе электронной проводимости.
Транзисторы рМОП с каналом р-типа работают на основе дырочной проводимости. Быстродействие пМОП транзисторов несколько выше, чем рМОП, поскольку электроны более подвижны, чем дырки. Униполярный транзистор во включенном состоянии может проводить ток в любом направлении. В настоящее время массовое применение имеют КМОП-транзисторы. Симметрия создается в схемах путем совместного использования пМОП- и рМОП-транзисторов. В КМОП-схемах' транзисторы пМОП и рМОП по отношению к источнику питания обычно оказываются последовательно включенными, а по отношению к выходному сигналу — параллельно включенными.
Поскольку затворы пМОП или рМОП транзисторов включены параллельно, всегда один из этих транзисторов оказывается включенным, а другой — выключенным, и энергопотребление и выходное сопротивление КМОП-схемы будет малым (небольшой ток будет протекать только в переходных режимах транзисторов). Затвор транзистора электрически изолирован от истока и стока, управление осуществляется электростатическим полем, поэтому входное сопротивление у полевых транзисторов очень большое. Это обстоятельство создает удобство соединений КМОП-схем между собой и обеспечивает устойчивость их работы. КМОП-схемы имеют меньшее энергопотребление, нежели биполярные транзисторы и другие типы полевых транзисторов, могут более плотно упаковываться; созданные на их основе интегральные схемы могут исполняться в более миниатюрном масштабе микротехнологий. В настоящее время КМОП-транзисторы применяются и в системах оперативной памяти, и в системах флеш-памяти.
В модулях оперативной памяти для хранения одного бита информации используется конденсатор — «паразитная» емкость, имеющаяся между электродами транзистора (рис. 6А). Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда — «0», отсутствие заряда — «1» (иногда наоборот). Рнс. 6.4. Элемент памяти на полевых транзисторах ' КМОП-схемы называют также КМОП-транзнсторамн, что, строго говоря, не совсем верно. Но в целях более компактного их названия иногда этот термин будем применять и мы.
1О1 Электронные технологии и элементы, применяемые в ЭВМ Управление схемой осуществляется: О при записи информации — подачей потенциала на адресную шину т и записываемого бита по информационной шине 2; (з при считывании информации — подачей потенциала на адресную шину 3 и анализом изменения потенциала на выходной шине 4. Для сохранения заряда емкости необходима постоянная его регенерация с периодом десятки миллисекунд.
Поэтому такая память является энергозависимой и называется динамической. Схемы считывания сигнала (рис. 6.4) с шины 4 схемы регенерации заряда емкости не показаны. Эти схемы могут быть различными, и именно их организация определяет тип оперативной памяти: О ГРМ ОКАМ; О ПКАМ ЕОО; 0 БОКАМ; 0 ПК ОКАМ; д ПАЖ 50КАМ и др. В КМОП-транзисторах флеш-памяти для обеспечения энергонезависимости под основным затвором помещен еше один, так называемый плавающий затвор (рис.
6.5). Плавающий затвор имеет металлизацию (пленку из арсенида галлия, хрома, никеля, вольфрама и др.) для создания на границе раздела между металлом и полупроводником потенциального барьера Шотки', позволяющего хранить заряд конденсатора длительное время. Плаээющи эалэтор Исток Рис. 6.5.
Структура элемента флеш-памяти ' Диоды Шоткн, использующие этот барьер, проводят ток только в одном направлении, а в другом направлении даже создают запирающий потенциал. Эти диоды известны очень панно и использовались в 40 — 50-е голы прошлого века в весьма популярных тогда детекторных ралиоприемниках, не требующих для своей работы источника электрического питания (необходимое напряжение для прослушивания местных радиостанций через наушники кэк раз и создает потенциал барьера Шотки). 1Ог Глава Б. Логические основы построения вычислительной машины В появившихся в 2002 году новых видах памяти РеКАМ и МКАМ используются сверхтонкие магнитные пленки, наносимые на поверхность кристаллов интегральной схемы.
Поверх этой пленки, изготовленной из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), наносятся еше электроды. Эти электроды создают при пропускании через них электрического тока магнитное поле, намагничивающее цилиндрические магнитные домены (ЦМД) этой пленки в нужном направлении для записи кодов «1» и «О» и для считывания информации (рис.
6.6). Рио. В.б. Кривая намагничивания материала с ППГ Обозначения на рисунке: Н вЂ” напряженность магнитного поля,  — магнитная индукция материала, Н, — коэрцитивная сила материала,  — максимальная магнитная индукция, В, — остаточная магнитная индукция. При подаче положительного импульса Н, превышающего Н„материал намагничивается до значения В, превышающего В„После снятия внешнего поля Н материал возвращается в состояние В„(запись «1»). При подаче отрицательного импульса Н, превышающего -Н„материал намагничивается до значения -В . После снятия отрицательного импульса — Н материал возвращается в состояние -В, (запись «О»).
При считывании подается отрицательный импульс Н, и скорость изменения магнитной индукции материала формирует электронный импульс, амплитуда напряжения которого у выхода равно: При считывании «О» пВ минимальна, и электрический импульс практически не возникает. При считывании «1» пВ -„— (-В,) = 2В„, ЬВ большая, формируется импульс, кодирующий 1. ПРИМЕЧАНИЕ Магнитные материалы с прямоугольной петлей гнстерезнса используются во всех внешних запоминающих устройствах на магнитных н магнито-оптическнх дисках, магнитных лентах н в ОЗУ на магнитных сердечниках.
1ОЗ Электронные технологии н элементы, прнменяемые в ЭВМ Пленарные микросхемм Изготавливаются интегральные схемы с МОП-транзисторами по планарной технологии: на поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защитный слой диэлектрика (обычно путем окисления поверхности для образования пленки из диоксида кремния), в котором методами фотолитографии вскрывают микроокна. Поверх слоя диэлектрика наносится металлическая пленка, имеющая в окнах контакт с поверхностью полупроводника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
