Великі інтегральні схеми

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство освіти і науки
Республіки Казахстан Карагандинський
державний технічний університет
Кафедра ______ ________
РЕФЕРАТ
з дисципліни:
Організація обчислювальних систем
Тема:
Великі інтегральні схеми
Керівник _________________
(Оцінка) (прізвище, ініціали)
(Підпис) (дата)
Студент (група)
(Прізвище, ініціали)
(Підпис) (дата)
2009

Одним з найважливіших шляхів вдосконалення обчислювальної техніки є широке застосування в ній досягнень сучасної мікроелектроніки. Успіхи напівпровідникової інтегральної електроніки привели до створення нового класу складних функціональних електронних виробів - великих інтегральних схем, які стали основною елементною базою ЕОМ четвертого покоління (кінець 70-х років).
В одній такій схемі об'ємом всього лише в частки кубічного сантиметра розміщується блок, що займав в ЕОМ першого покоління цілу шафу. У результаті досягнуто суттєве підвищення продуктивності ЕОМ.
Якщо в ЕОМ третього покоління швидкодія сягає 20-30 млн операцій за секунду, то в машинах четвертого покоління продуктивність досягає сотень мільйонів операцій у секунду. Відповідно зростає й обсяг пам'яті. Поряд з удосконаленням традиційних пристроїв пам'яті на магнітних дисках і стрічках створюється пам'ять без рухомих частин. Загальний обсяг зовнішньої пам'яті у великих машинах четвертого покоління перевершує 10 14 символів, що еквівалентно бібліотеці, що складається з декількох мільйонів об'ємистих томів.
БІС створені в результаті природного розвитку інтегральних схем. Передумовою їх появи є освоєння електронною промисловістю планарної технології виготовлення кремнієвих напівпровідникових приладів. Принципова новизна цієї технології полягає в тому, що вона дозволила замінити звичайні дискретні компоненти дифузійними або тонкоплівковими компонентами.
Висока надійність ЕОМ закладається в процесі її виробництва. Перехід на нову елементну базу - надвеликі інтегральні схеми (НВІС) - різко скорочує число використовуваних інтегральних схем, а значить, і число їх з'єднань один з одним. Добре продумані компонування комп'ютера і забезпечення необхідних режимів роботи (охолоджування, захист від пилу).
Всі сучасні обчислювальні машини будуються на комплексах (системах) інтегральних мікросхем (ІС). Електронна мікросхема називається інтегральною, якщо її компоненти і з'єднання між ними виконані в єдиному технологічному циклі, на єдиній підставі і мають загальну герметизацію та захист від механічних впливів. Кожна мікросхема є мініатюрну електронну схему, сформовану пошарово в кристалі напівпровідника: кремнію, германію і т.д. До складу мікропроцесорних наборів включаються різні типи мікросхем, але всі вони повинні мати єдиний тип міжмодульних зв'язків, заснований на стандартизації параметрів сигналів взаємодії (амплітуда, полярність, тривалість імпульсів і т.п.). Основу набору зазвичай складають великі інтегральні схеми (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС). У найближчому майбутньому слід очікувати появи ультрабольшой ІС (УБИС). Крім них зазвичай використовуються мікросхеми з малої і середньої ступенем інтеграції (СІС). Функціонально мікросхеми можуть відповідати пристрою, вузла чи блоку, але кожна з них складається з комбінації найпростіших логічних елементів, що реалізують функції формування, перетворення, запам'ятовування сигналів і т.д.
Всі сучасні ЕОМ будуються на мікропроцесорних наборах, основу яких складають великі (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС). Технологічний принцип розробки та виробництва інтегральних схем діє вже понад чверть століття. Він полягає в пошаровому виготовленні частин електронних схем по циклу "програма - малюнок - схема". За програмами на запилений фоторезісторний шар наноситься малюнок майбутнього шару мікросхеми. Потім малюнок протравлюється, фіксується, закріплюється і ізолюється від нових шарів.
На основі цього створюється просторова твердотільна структура. Наприклад, НВІС типу Pentium включає близько трьох з половиною мільйонів транзисторів, що розміщуються в пятислойной структурі. Ступінь мікромініатюризації, розмір кристала ІС, продуктивність і вартість технології безпосередньо визначаються типом літографії. До теперішнього часу домінуючою залишалася оптична літографія, тобто пошарові малюнки на фоторезистора мікросхем наносилися світловим променем. В даний час провідні компанії, що виробляють мікросхеми, реалізують кристали з розмірами приблизно 400-600 мм2 для процесорів (наприклад, Pentium) і 200-400 мм 2 - для схем пам'яті. Мінімальний топологічний розмір (товщина ліній) при цьому становить 0,25-0,135 мкм. Для порівняння можна навести такий приклад. Товщина людської волосини становить приблизно 100 мкм. Значить, при такому дозволі на товщині 100 мкм потрібно викреслювати більше двохсот ліній.
Подальші успіхи мікроелектроніки зв'язуються з електронною (лазерної), іонної та рентгенівської літографією. Це дозволяє вийти на розміри 0,13; 0,10 і навіть 0,08 мкм. Замість раніше використовуваних алюмінієвих провідників у мікросхемах повсюдно починають застосовувати мідні з'єднання, що дозволяє підвищити частоту роботи.
Такі високі технології породжують цілий ряд проблем. Мікроскопічна товщина ліній, порівнянна з діаметром молекул, вимагає високої чистоти використовуваних і напилюваних матеріалів, застосування вакуумних установок і зниження робочих температур. Дійсно, досить потрапляння найменшої пилинки при виготовленні мікросхеми - і вона потрапляє в шлюб. Тому нові заводи з виробництва мікросхем представляють собою унікальне обладнання, розташоване в "чистих приміщеннях класу 1", мікросхеми в яких транспортуються від устаткування до обладнання в замкнутих надчистих міні-атмосферах класу 1000. Міні-атмосфеpa створюється, наприклад, надчистих азотом або іншим інертним газом при тиску КГ4 Торр.
В даний час основою побудови всіх мікросхем була і залишається КМОП-технології (комплементарні схеми, тобто спільно використовують п-і р-переходи в транзисторах зі структурою "метал - окисел - напівпровідник").
Однак поява БІС породило дуже серйозну проблему-"що покласти на підкладку" або, іншими словами, яким чином реалізувати пристрій на схемах з таким колосальним кількістю елементів.
Першим і досить природним рішенням цієї проблеми стало виготовлення так званих замовних схем, що розробляються кожен раз спеціально для використання в конкретній апаратурі. У той же час проектування замовних ВІС - вельми тривалий і трудомісткий процес, що використовує складні людино-машинні системи автоматизованого проектування. Тому розробка і виготовлення замовних ВІС можуть бути економічно виправдані тільки при масовому виробництві апаратури, в якій ці схеми застосовуються.
Хорошою альтернативою рекомендованим БІС з'явилися мікропроцесорні набори - сукупність великих інтегральних схем, що реалізують складні функції цифрової апаратури. З цих "цеглин" досить просто будуються мікрокомп'ютери (мікро-ЕОМ), що отримали виключне розвиток і знайшли широке застосування в різноманітних системах управління.
Мікропроцесор є універсальним пристроєм, здатним реалізувати будь-яку логічну функцію. Однак програмна реалізація логіки управління здійснюється порівняно повільно, мікропроцесор часто не здатний забезпечити необхідну швидкодію. У зв'язку з цим в даний час широкого поширення набули програмовані БІС з матричною структурою, серед яких особливе місце займають програмовані логічні матриці (ПЛМ) - великі інтегральні схеми, що поєднують регулярність структури напівпровідникового пристрою, що запам'ятовує (ЗП) з універсальністю мікропроцесора. ПЛМ володіє істотними перевагами перед мікропроцесором при реалізації складних алгоритмів керування.
Як функціональних вузлів БІС, орієнтованих на реалізацію бульових функцій, широко використовуються так звані матричні схеми.
Матрична схема являє собою сітку ортогональних провідників, в місцях перетину яких можуть бути встановлені напівпровідникові елементи з односторонньою провідністю (ЕОП) - діоди або транзистори.
Розглянемо матриці М1і М2 на малюнку № 1. Спосіб включення ЕОП в місцях перетину шин матриці М1 дозволяє реалізувати на будь-якому з її виходів будь-яку кон'юнкцію її вхідних змінних, взятих зі знаком або без знаку інверсії.
Р4
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Р1
Р2
Р3
Р4
М2
М1
Х1
Х2
Х3
У1
У2
Р1
Р2
Р3
Р4

Малюнок № 1
Матриця М2 має 4 вертикальних і 2 горизонтальних шини. Спосіб включення ЕОП в місцях перетину шин М2 дозволяє реалізувати на будь-якому з її виходів будь-яку диз'юнкцію її вхідних змінних.
Якщо з'єднати ці матриці як показано на малюнку № 2, то можна помітити, що будь-яка система булевих функцій у1. yn водних змінних x1. xn може бути реалізована дворівневої матричної схеми, на першому рівні якої утворюються різні елементарні кон'юнкції, а на другому - диз'юнкції відповідних кон'юнкція (y1 ... yn).
У результаті побудова схем з матричною структурою зводиться до визначення точок перетину шин, де повинні бути включені ЕОП.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
М1
М2
У1
У2
Х1
Х2
Х3

Малюнок № 2
За способом програмування розрізняють матриці, що настроюються (програмовані) на заводі-виробнику, користувачем і репрограмміруемие (багаторазово настроюються).
У матрицях першого типу з'єднання ЕОП з шинами здійснюється 1 раз за допомогою спеціальних масок, які використовуються для металізації певних ділянок кристала БІС. Після виготовлення БІС отримані сполуки змінені бути не можуть.
Матриці другого типу поставляються споживачеві не налаштованими і містять ЕОП в кожній точці перетину їх шин. Налаштування зводиться до видалення (відключення) деяких непотрібних ЕОП. Фізично процес налаштування здійснюється різними способами, наприклад, шляхом пропускання серії імпульсів струму досить великої амплітуди через відповідний ЕОП і руйнування плавкої перемички, включеної послідовно з цим ЕОП і з'єднує його з однією з шин у точці їх перетину.
Матриці третього типу дозволяють здійснювати програмування неодноразово. Повторне програмування виконується електричним способом після стирання вмісту матриць під дією ультрафіолетового (іноді рентгенівського) опромінення або електричним способом окремо для кожного ЕОП.
Так само необхідно сказати кілька слів про так званих програмованих матрицях.
Програмована логічна матриця (ПЛМ) являє собою функціональний блок, створений на базі напівпровідникової технології і призначений для реалізації логічних схем цифрових систем. У залежності від внутрішньої організації програмовані логічні матриці можна розділити на ПЛМ комбінаційної логіки і ПЛМ з пам'яттю.
Слід зазначити, що на кристалі БІС ПЛМ передбачена спеціальна система шин, яка дозволяє поєднати виходи донної матриці з входами інший. Виконання розрізів шин і організація необхідних зв'язків між входами і виходами різних матриць здійснюються на етапі налаштування ПЛМ на заводі виробнику.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Програмування, комп'ютери, інформатика і кібернетика | Реферат
26.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Надвеликі інтегральні схеми
Інтегральні перетворення
Інтегральні перетворення Лапласа
Інтегральні мікросхеми серії 500
Інтегральні онтологічні моделі Російська софіологія
Інтегральні технології розробки синтезаторів частот
Інтегральні методи оцінки якості перехідних процесів
Великі художники
Великі вчені
© Усі права захищені
написати до нас