Кремниевые микросхемы

Что такое микропроцессоры и почему они так важны?

Микропроцессор, создаваемый как единый электронный компонент, является сердцем вычислительной машины. Именно микропроцессоры позволили микро-ЭВМ шагнуть туда, где никогда прежде не бывала вычислительная машина, - выйти в реальный мир.

Микропроцессор - это часть среды, которой он управляет, вместо того, чтобы быть отделенным от нее подобно первоначальному центральному блоку вычислительной машины или позже микро-ЭВМ. Микропроцессоры, ориентированные на решение отдельных, вполне определенных задач (те, что выполняют только одну работу, на которую они настроены, или, как говорят, запрограммированы изготовителями), уже появились в домашних телевизионных играх, игрушках, калькуляторах телефонных расходов и в других бытовых изделиях. Вскоре их можно будет встретить в большинстве домов внутри стиральных машин, в телевизионных приемниках, стереофонических системах, системах центрального отопления, системах сигнализации - фактически везде, где их применение приведет к оптимизации функционирования системы или к экономии используемых компонентов.

Телевизионные игры последнего времени могут йе-репрограммироваться с помощью инструкций для раз-ньrx и^p, содержащихся в сменных модулях памяти . Некоторые из них могут даже программироваться йетю-средственно пользователем.

Наверное наиболее заманчивый вариант современного использования микропроцессоров, программируемых пользователем, - это их применение в персональной м'йкрб-ЭВМ. В настоящее время каждый желающий мо-щёт,приобрести в личное пользование микро-ЭВМ, которая компактна и недорога. Микропроцессор - это сердце никрв-ЭВМ, он играет роль центрального обрабатывающего устройства, или центрального процессора (ЦП).

Это стало реальностью благодаря последним достижениям в полупроводниковой технологии, позволившим размещать электронные схемы огромной сложности на очень маленькой площади с потреблением совсем небольшой мощности и с низкими затратами на изготовление.

Схемы такого типа, называемые полупроводниковыми микросхемами, впервые стали применяться в карман-

Рис. 1.1. Отдельные полупроводниковые приборы (а) и интегральная схема с двухрядным расположением выводов (б):

/ - собственно интегральная схема; 2 - пластмассовый или керамический корпус, защищающий схему, с 28 выводами

ных калькуляторах, затем в электронных часах с цифровым отсчетом и, наконец, в микро-ЭВМ.

Микро-ЭВМ состоит из микросхемы центрального процессора и нескольких микросхем для таких функций, как память и управление вводом и выводом.

Первые полупроводниковые приборы выпускались заключенными в самостоятельные корпуса в виде отдельных изделий: транзисторов, диодов и т.п. (рис. 1.1, а). В 1958 г. были изобретены так называемые интегральные микросхемы (ИМС). Они представляли собой законченные электронные схемы, содержащие транзисторы и иногда диоды, резисторы и конденсаторы, размещенные целиком на одном кристалле из кремния, занимая, как правило, площадь около 65 мм.

Преимущества ИМС перед отдельными приборами и компонентами схем состоят в их небольшом размере, низкой стоимости и высокой надежности. Без такой миниатюризации персональная ЭВМ не была бы реальной не только потому, что благодаря ей физические размеры сокращены до обозримых масштабов и сэкономлены средства на изготовление корпусов, проводку и занимаемые площади, но и потому, что миниатюрные схемы потребляют меньшую мощность и позволяют ускорить процесс вычислений, поскольку электрическим сигналам не

приходится преодолевать излишне большие расстояния! Кроме того, облегчается управление различными устройствами, входящими в состав ЭВМ.

Почему микропроцессы такие недорогие?

Снижение стоимости микропроцессоров вследствие применения ИМС происходит не только из-за их малых размеров. Большая доля экономии заложена в производстве самих микросхем. После разработки микросхемы и определения изготавливающего оборудования уже нет большого различия в стоимости производства одной микросхемы, содержащей 10 активных компонентов или 10 000 при условии, что они располагаются на кремниевом кристалле одного и того же размера. При изготовлении такого кристалла требуется практически одно и то же число технологических этапов в каждом случае, поэтому производственные расходы примерно одинаковы Ч Это означает, что сердце ЭВМ, микропроцессор, можно сейчас купить по цене, примерно равной первоначальной стоимости отдельного транзистора.

Сколько компонентов можно разместить на одном кристалле?

Технология изготовления первых ИМС допускала размещение всего нескольких (максимум 10) активных элементов на одном кристалле. Такие ИМС стали относить к схемам с малой степенью интеграции (SSI-Small Scale Integration). Позже добились размещения до 100 активных элементов - ИМС со средней степенью интеграции (MSI-Medium Scale Integration). Технология изготовления современных микросхем допускает размещение гораздо большего числа активных элементов на одном кристалле. Микросхемы с числом элементов, большим 100, относят к ИМС с большой степенью интеграции (LSI-Large Scale Integratioh).

Имеется в виду, что в производственные расходы не входит стоимость разработки самой электрической схемы, которая, естественно, не одинакова в двух рассматриваемых автором случаях. Однако появившиеся в последние годы автоматизированные системы проектирования микросхем позволили резко снизить стоимость н этого этапа разработки. (Прим. пер.)

2 Или к большим интегральным схемам (БИС).