Основные разделы и направления развития современной электроники



Скачать 326.49 Kb.
Pdf просмотр
страница1/3
Дата13.02.2017
Размер326.49 Kb.
Просмотров413
Скачиваний0
  1   2   3

1
Предисловие .........................................................................................................................1
Введение ...............................................................................................................................5
Основные разделы и направления развития современной электроники.........................5
Классификация интегральных схем .................................................................................6 1. История развития электроники и вычислительной техники...........................................8 1.1. Доэлектронная эра......................................................................................................8 1.2. Изобретение электронной лампы ..............................................................................9 1.3. Электронные ЭВМ на лампах ..................................................................................10 1.4 Изобретение транзистора ..........................................................................................10 1.5 Отечественные ЭВМ на транзисторах......................................................................15 1.6. Изобретение интегральной микросхемы .................................................................16 1.7. Создание компании Intel, изобретение микропроцессора и персонального компьютера......................................................................................................................20 1.8. Закон Мура ...............................................................................................................28
Предисловие
В рамках Федеральных образовательных стандартов третьего поколения (ФГОС–3) дисциплина «Специальные вопросы микро– и нанотехнологии» на кафедре физической электроники СПбГПУ входит в вариативную часть математического и естественнонаучного цикла подготовки бакалавров по профилю «Физическая электроника» направления «Техническая физика». В какой-то мере эта дисциплина является наследницей курса «Специальные вопросы технологии микро– и наноэлектроники», который в стандартах второго поколения
(ГОС–2) для инженерной специальности «Физическая электроника» был одной из федеральных (обязательных для всех вузов) дисциплин.
Такой инженерной специальности уже больше не существует, прием на нее давно закрыт и последние студенты, поступившие до принятия этого решения, уже закончили вуз. Однако учитывая сходство специализации выпускников и инженерной, и бакалаврской ветви, представляется целесообразным сохранить подобный курс в новых учебных планах.
«Нанотехнологии» — чрезвычайно популярный у нас сейчас (и, думаю, в обозримом будущем) термин, который охватывает очень обширный круг областей науки, техники и технологии. Даже крем для обуви делается ныне с применением таких технологий. Понятно, что в рамках одной дисциплины охватить все возможные применения
Впервые этот термин предложил японец Н. Танигучи в 1974 г.: Taniguchi N. et al. On the basic concept of nanotechnology //Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan
Society of Precision Engineering. – 1974. – С. 18-23.

2 нанотехнологий невозможно. Поэтому здесь будет рассматриваться только наиболее близкая к специфике профиля область —
электроника. Более того, учитывая многообразие направлений современной электроники, основное внимание будет уделено наиболее динамичной ее части — технологии производства цифровых интегральных схем и микропроцессоров, которая обновляется практически каждые два года. При этом, опять же с учетом специфики профиля, основной интерес будут представлять не сами технологии, а те новые физические принципы, которые позволяют решать непрерывно возникающие проблемы на пути совершенствования процессоров для современных компьютеров.
И в заключение: в связи с пока не очень богатым, к сожалению, отечественным опытом разработки современных процессоров изложение, в основном, будет опираться на результаты разработок ведущих мировых фирм: Intel, IBM, AMD, Toshiba, ASML и др. Это создает известные трудности с учебной литературой, которой практически нет, так как после прохождения рукописи через редакцию и типографию она к моменту выхода в значительной части уже устаревает. Поэтому оптимальной представляется форма электронного пособия, который автор мог бы обновлять постоянно.
Intel (Integrated Electronics) — американская корпорация
, производящая широкий спектр электронных устройств и компьютерных компонентов, включая микропроцессоры
, наборы системной логики (
чипсеты
) и др. Штаб-квартира в городе
Санта-Клара
, штат
Калифорния
,
США
Основана
18 июля
1968 года
. Сайт:. http://www.intel.com/
, (в России – http://www.intel.ru/
).
IBM (International Business Machines) — транснациональная корпорация со штаб- квартирой в
Армонке
, штат
Нью-Йорк
(
США
), один из крупнейших в мире производителей и поставщиков аппаратного и программного обеспечения
, а также IT.- сервисов и консалтинговых услуг. Основана
16 июня
1911 года
. Сайт: www.ibm.com

России http://www.ibm.com/ru/ru/
).
AMD (Advanced Micro Devices) – американский производитель интегральной электроники со штаб-квартирой в Sunnyvale, Калифорния. Второй по величине производитель x86 и x64-совместимых процессоров, а также крупнейший поставщик графических чипсетов для материнских плат и флеш-памяти. Основана в 1969году.
(Сайт: http://www.amd.com/
(в России http://www.amd.com/ru/
).
Toshiba Corporation — крупный международный концерн, работающий в области электротехники, электроники, энергетического и медицинского оборудования. Основан в 1875 году. Штаб-квартира в
Минато
,
Токио
, Япония. Сайт: http://www.toshiba.com/

России http://www.toshiba.ru/
).
ASML (Advanced Semiconductor Materials Lithography) — нидерландская компания, являющаяся одним из крупнейших производителей фотолитографических систем для микроэлектронной промышленности (свыше 65% рынка). Основана в 1984 году, имеет более 60 пунктов обслуживания в 16 странах. Штаб-квартира в
Veldhoven
,
Нидерланды
Сайт: http://www.asml.com

3
В завершение этого раздела следует отметить, что в Российской федерации в настоящее время разработкой микроэлектронного оборудования, соответствующего мировому уровню, и производством интегральных схем различного назначения занимается несколько организаций.
Крупнейшим в России и СНГ производителем и экспортером микроэлектроники является группа компаний «Микрон», входящая в отраслевой холдинг «Радиотехнические информационные (РТИ) системы».
Головная компания этой группы
«Научно–
исследовательский институт молекулярной электроники (НИИМЭ)» и завод «Микрон». До 2010-го года Микрон работал по около- микронным нормам, на оборудовании большей частью оставшемся с советских времен. В 2006-м году была куплена технология и оборудование для производства с нормами 180 нм на пластинах диаметром 200 мм и налажено производство с выпуском 1500 пластин в месяц. В 2012-м году была внедрена технология 90 нм с медной металлизацией и ростом мощности производства до 3000 пластин в месяц. Основной продукцией являются интегральные схемы для социальных, банковских, транспортных и других смарт-карт, для биометрических паспортов. Планируется дополнить этот перечень новыми перспективными продуктами для цифрового телевидения и спутниковой навигации. Главным технологическим партнером
Микрона является компания STMicroelectronics, поставляющая большую часть оборудования. Кроме того, в покупке материалов и оборудования и создании инфраструктуры участвуют еще 42 компании из 10 стран мира. Предприятие имеет около 400 заказчиков в России и 100 за рубежом, сотрудничает на постоянной основе более чем с 60 отраслевыми и академическими НИИ. В настоящее время
Ситроникс–Микрон обладает наиболее современным и
«НИИМЭ-Микрон» была создана в 1964 году. для разработки и промышленного производства отечественных интегральных микросхем в г. Зеленоград. (Веб-сайт: http://mikron.sitronics.ru/
).
STMicroelectronics - европейская микроэлектронная компания со штаб-квартирой в
Женеве, образованная в 1987 году в результате слияния двух компаний из Италии и
Франции.
Занимается разработкой, изготовлением и продажей различных полупроводниковых электронных и микроэлектронных компонентов, занимает пятое место в мире по объему продаж. (Веб-сайт: http://www.st.com
).

4 универсальным полупроводниковым производством в России, потратив на него очень скромные по мировым меркам деньги.
Из других отечественных производителей следует упомянуть
Научно–исследовательский институт системных исследований
Российской академии наук (НИИСИ РАН). Весьма широкий перечень направлений деятельности этого института содержит, в частности, разработку архитектуры микропроцессоров и создание микроэлектронного производства с технологическими нормами 500,
350 и 250 нанометров на базе собственной фабрики, выпускающей мелкие серии микроэлектронной продукции оборонного назначения.
В последние годы значительную активность проявляет корпорация «Роснано», которая в сотрудничестве с различными компаниями добилась финансирования ряда новых проектов в области наноэлектроники. Финансирование успешно освоено, однако промышленного выпуска соответствующих электронных устройств пока не налажено.
Из организаций поменьше можно назвать
«Экситон»,
Калужский радиоламповый завод (полупроводниковые приборы, гибридные и интегральные микросхемы), НПО измерительной техники (г. Королев, Московская область, датчики и электроника для ракетно–космической техники), Центр Коллективного Пользования–
Проектирование и изготовление фотошаблонов (г. Зеленоград) и др.
НИИСИ — научно-исследовательский институт системных исследований (г. Москва), известный как «Курчатник». Создан по постановлению Президиума АН СССР в 1986 году для решения сложных прикладных задач на основе сочетания методов фундаментальной и прикладной математики, а также методов практической работы на
ЭВМ. (Веб-сайт: http://www.niisi.ru/
).
«Роснано» — инвестиционная государственная корпорация нанотехнологий (с марта
2011 года ОАО), основанная в 2007 году по инициативе В.В. Путина специальным федеральным законом для реализации государственной политики в сфере нанотехнологий Основным видом деятельности компании является инвестирование средств в частные проекты по созданию новых нанотехнологических производств. С сентября 2008 года председателем правления (а позднее и председателем совета директоров) является А.Б. Чубайс. (Веб-сайт: http://www.rusnano.com
).
ОАО «Экситон» (завод), г. Павловский Посад, основан в 1943 году (Веб-сайт: http://www.fabexiton.ru/
).

5
Введение
Основные разделы и направления развития современной
электроники
Электроника (от греч. Ηλεκτρόνιο — электрон) — раздел физики, изучающий закономерности взаимодействия электронов с электромагнитными полями в различных средах и методы создания на этой основе разнообразных электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии. Подобные устройства в настоящее время используются во всех областях науки, техники, технологии, информатики и медицины и круг их применения непрерывно расширяется. Поэтому от уровня развития электроники в современных условиях в значительной мере зависят успехи научно–
технического прогресса.
Электроника включает три основных области исследований и разработок. Кратко охарактеризуем эти области.
1. Вакуумная и плазменная электроника. Это исторически первый раздел электроники, который в начале прошлого века обеспечил бурное развитие радиоэлектронного производства электро- вакуумных приборов и устройств для систем передачи, приема, обработки и хранения информации (прежде всего, для радиосвязи, а затем и для телевидения).
Несмотря на непрерывное совершенствование конструкций и улучшение характеристик электровакуумных устройств, со временем они стали все больше уступать свойствам аналогичных полупроводниковых приборов по габаритам и энергопотреблению. В настоящее время вакуумные электронные приборы практически полностью вытеснены твердотельными конкурентами из многих областей применения, включая и бытовую электронику. Тем не менее, благодаря уникальным особенностям (один тип носителей, исключительная управляемость потоками электронов в вакууме, высокое быстродействие), вакуумные приборы до сих пор широко применяются в электронно-лучевых и фотоэлектронных устройствах, в мощных СВЧ–генераторах и рентгеновских трубках. Кроме того, в конце 80-х годов прошлого века вакуумная электроника перешла на качественно новый научно-технический уровень — появилась вакуумная микроэлектроника и вакуумные приборы микронных и

6 субмикронных размеров с ненакаливаемыми катодами. Сейчас вакуумная микроэлектроника развивается по двум основным направлениям — создание принципиально новых СВЧ–устройств различного назначения и разработка ультраплоских дисплеев, превосходящих по характеристикам и экономичности твердотельные аналоги.
2. Квантовая электроника — область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот (от рентгеновской области до радиоволн), основанные на использовании эффекта вынужденного излучения, а также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применения. Практический интерес к квантовым генераторам обусловлен тем, что их излучение обладает очень высокой направленностью и монохроматичностью. Квантовые генераторы отличаются высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний, а квантовые усилители — предельно низким уровнем шумов.
3. Твердотельная
электроника — раздел электроники, в котором изучаются физические принципы работы, функциональные возможности твердотельных приборов различного назначения и правила их использования в электронике. Наиболее динамично развивающейся областью твердотельной электроники является микро– и наноэлектроника, особенности технологии которой и рассматриваются в настоящем пособии.
Основной задачей микроэлектроники является комплексная миниатюризация электронной аппаратуры, которая приводит к снижению стоимости, материалоемкости, энергопотребления, массы и габаритов изделий, повышению их надежности и увеличению объема выполняемых функций (прежде всего, в области вычислительной техники и информационных технологий). Постоянно обновляющаяся микроэлектронная технология позволяет резко расширить масштабы производства микроэлектронной аппаратуры и области ее применения.
Классификация интегральных схем
Интегральной
схемой
(ИС) называется конструктивно законченное изделие электронной техники, содержащее совокупность

7 электрически связанных в функциональную схему различных активных и пассивных электронных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле.
По конструктивно-технологическому исполнению различают три группы ИС:
1. полупроводниковые, представляющие собой монолитные устройства, в которых все элементы изготовлены на единой полупроводниковой подложке и в едином технологическом цикле;
2. гибридные, являющиеся миниатюрной печатной платой с напыленными на диэлектрическую подложку проводящими дорожками, к которым припаиваются, привариваются или приклеиваются дискретные бескорпусные активные и пассивные элементы; пассивные элементы гибридных ИС могут быть выполнены на основе толстопленочной (с толщиной пленки больше 1 мкм) или тонкопленочной технологий, а активные компоненты выполняются по полупроводниковой технологии;
3. прочие, использующие вакуумные микродиодные и триодные структуры, керамические элементы, пленочные активные и пассивные элементы, фоточувствительные ПЗС–матрицы и пр.
Учитывая упомянутую ранее основную направленность пособия, в дальнейшем будут рассматриваться только монолитные полупроводниковые ИС, на основе которых построены все современные микропроцессоры.
По функциональному назначению интегральные схемы делятся на цифровые, предназначенные для обработки сигналов, заданных в виде дискретных функций
(прежде всего, логические и запоминающие устройства) и аналоговые ИС, обрабатывающие сигналы в виде непрерывных функций (усилители, генераторы, преобразователи, детекторы, модуляторы и пр.).
По типу используемых активных элементов монолитные ИС подразделяются на униполярные (полевые или МДП), биполярные и комбинированные (биполярно–полевые). В свою очередь МДП ИС в зависимости от типа интегральных структур подразделяются на n
канальные,
p–канальные и комплементарные
(КМОП).
В современных процессорах используется преимущественно КМОП–

8 логика, требующая при работе существенно меньших энергетических затрат.
Еще одним независимым признаком классификации является степень интеграции ИС. В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):
1. Малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле (англ. SSI, Small Scale Integration).
2. Средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле (англ. MSI, Middle Scale Integration).
3. Большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле (англ. LSI, Large Scale Integration).
4. Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле (англ. VLSI, Very Large Scale Integration).
5. Ультрабольшая интегральная схема
(УБИС) — до
10 9
элементов в кристалле (англ. ULSI, Ultra Large Scale Integration).
6. Гигабольшая интегральная схема
(ГБИС) — более
1 миллиарда элементов в кристалле.
В настоящее время название ГБИС практически не используется и все схемы с числом элементов, превышающим 1000000, относят к классу СБИС, считая УБИС и ГБИС его подклассами.
1. История развития электроники и вычислительной техники
1.1. Доэлектронная эра
Первая серьезная мысль относительно использования машин для выполнения вычислений принадлежит, по-видимому,
Блезу Паскалю
, который приблизительно в 1642 году построил несколько простейших машин для вычисления налогов.
Во время переписи населения Америки в 1890 году впервые применялись счетные машины на перфокартах. Сами же перфокарты использовались несколько раньше — для управления ткацкими станками.
Первые арифмометры появились в конце девятнадцатого века.
Однако их нельзя считать еще вычислительными машинами, так как они могут в один момент выполнять только одну операцию и требуют сохранения промежуточных результатов вовне машины.

9
Конструирование первой удачной вычислительной машины, выполняющей длинную последовательность операций, было начато в
1939 году фирмой IBM совместно с Гарвардским университетом и закончено в 1944 году. Эта машина, по своей природе электромеханическая, известна в истории вычислительной техники как “Гарвард Марк I”.
Принципиальным в развитии вычислительной техники стало использование электронных компонентов — сначала радиоламп, затем транзисторов, а потом и интегральных микросхем.
1.2. Изобретение электронной лампы
В 1879 году, во время испытания первых опытных партий вакуумных электрических ламп накаливания с угольной нитью, их изобретатель
Т. А. Эдисон обратил внимание на почернение внутренней поверхности стеклянной колбы. Он предположил, что почернение представляет собой налет мельчайших частиц угля, которые оторвались от нагретой нити накала и имеют отрицательный заряд. Эдисон предположил, что если в стеклянную колбу ввести дополнительный электрод, соединенный с плюсом батареи, он начнет притягивать отрицательно заряженные частицы. Уже 13 февраля 1880 года по эскизам Эдисона, был изготовлен, по сути, прототип будущего электронного прибора — двухэлектродной лампы.
Изобретатель подробно описал результаты опыта, но не нашел тогда должного объяснения своему открытию. Продолжая эксперименты, он обнаружил, что электрический ток через лампу протекает только тогда, когда на второй электрод подано положительное напряжение, причем этот ток тем больше, чем сильнее разогрета нить катода.
Открытие этого явления, названного
«эффектом
Эдисона», произошло в первой половине 1883 года.
Бывший консультант эдисоновской компании в Лондоне —
Edison Electric Light Company —
Джон Флеминг решил провести тщательное исследование эффекта Эдисона и на основе полученных результатов ему удалось в ноябре 1904 года создать «вентиль
Флеминга» — такое название имела двухэлектродная электронная лампа, разработанная ученым в начале XX века. Эта электронная лампа открыла новую эру в радиоэлектронике.

10
Диоды Флеминга использовались в радиоприемниках и радарах в течение многих лет, и только через 50 с лишним лет они были заменены твердотельными приборами. В 1906 году американец
Ли де
Форест добавил в электронную лампу управляющую «сетку» и применил ее в первом электронном усилителе, а сама лампа была названа триодом. Триод имел очень важное значение в деле создания дальней телефонной и радиосвязи, радаров и первых электронных цифровых вычислительных машин.
1.3. Электронные ЭВМ на лампах
Долгое время первой электронной вычислительной машиной считалась ENIAC, построенная в Технической школе Мура в 1946 году. Однако после раскрытия архивов Английской разведывательной службы МИ-6, выяснилось, что аналогичная по принципам ЭВМ использовалась во время Второй мировой войны для дешифрации радиоперехватов Германской разведки.
Развитие вычислительной техники в СССР связано с именем академика
С. А. Лебедева
, под руководством которого была создана в
1951 в Киеве первая в континентальной Европе Малая Электронная
Счетная Машина. Там же в Киеве в 1949 г. была начата разработка более мощной (и более известной) БЭСМ, которую С. А. Лебедев закончил в 1952 г. уже в Москве, в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР. Первая модель БЭСМ была создана в 1953 г., имела память 2048 ячеек и скорость 8 тысяч операций в секунду. Серийный выпуск начался в 1954 г. с БЭСМ–1. В
1967 г. выпущена самая мощная (1млн. операций в секунду) БЭСМ–6.
1.4 Изобретение транзистора
Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году, когда
Майкл Фарадей экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость этого вещества, в противоположность проводимости металлов, растет с повышением температуры. Это явление Фарадей не смог объяснить. В 1874 году немецкий физик
Фердинанд Браун
(в последующем лауреат Нобелевской премии по физике 1909 года, совместно с Г. Маркони) обнаружил важнейшее свойство полупроводников (на примере серных металлов) —
Electronic Numerical Integrator and Computer

11 возможность проводить ток только в одном направлении. Ему также не удалось тогда объяснить противоречащее закону
Ома выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом и его современники не уделили должного внимания этому явлению. Только в 1906 году американский инженер Гринлиф Виттер Пикард получил патент на кристаллический детектор и вскоре подобные контакты стали использовать в детекторных приемниках.
Появление транзистора в XX веке стало переворотным моментом в развитии электроники. Это изобретение связано с именами многих великих ученых. Первоначально предпринимались многочисленные попытки создать твердотельный аналог вакуумного триода. Еще в 1928 году австро–венгерский физик
Юлиус Эдгар
Лилиенфельд
, профессор Лейпцигского университета, запатентовал конструкцию и принцип работы полупроводникового усилителя, известного в наше время под названием полевой транзистор.
Несмотря на получение патента, создать работающий прибор он не сумел — тогда еще не нашлось подходящего для этого материала.
Немецкий физик Оскар Хейл в 1934 году также запатентовал другой полевой транзистор и по той же причине не смог его сделать.
А революцию в электронике произвело изобретение в 1947 году инженерами фирмы Bell Laboratories
Джоном Бардиным
(John
Bardeen).
Вальтером Бреттейном
(Walter Brattain) и
Виллиамом
Шокли
(William Scockley) полупроводникового трехэлектродного усилителя — биполярного транзистора. За это открытие все они получили в 1956 году Нобелевскую премию по физике.
Первоначально руководитель этой группы В. Шокли также ставил задачу создания полевого транзистора, в котором по его теоретическим расчетам при создании в полупроводнике поперечного электрического поля должно наблюдаться усиление тока. Однако многочисленные попытки создания различных конструкций подобного прибора, как и раньше, не принесли успеха. Бардин высказал предположение о том, что электроны оказываются запертыми в поверхностном слое на границе раздела германия с окислом, который препятствует проникновению поля внутрь
Название «


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал