Lần đầu làm quen

56

Lần đầu làm quen

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học M. E. LEVINSHTEIN, Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học G. S. SIMIN

Chắc chắn chúng tôi sẽ không nhầm nếu cho rằng phần lớn độc giả của chúng tôi hiểu rõ hơn về những gì máy thêu điện tử có thể làm hơn là họ biết những chiếc máy này hoạt động như thế nào. Nhiều người sẽ không chỉ cho bạn biết những vấn đề bài toán nào có thể giải được bằng máy tính mà còn chứng minh trên máy tính vi mô rằng hầu hết học sinh trung học ngày nay đều có khả năng giải quyết. Nhưng bên trong những thiết bị này có gì? Cơ sở công việc của họ là gì?

Máy in kỹ thuật số điện tử xuất hiện cách đây 40 năm, ngay sau khi Thế chiến thứ hai kết thúc. Eniak (Mỹ), BESM-1, Ural-1 (Liên Xô) và các máy khác chứa một số ống chân không thập phân và thực hiện 5-10 nghìn phép tính mỗi giây.

Máy tính hiện đại chứa hàng triệu thiết bị bán dẫn và thực hiện mười triệu thao tác mỗi giây.

Sự tiến bộ to lớn của máy tính có mối liên hệ quyết định với sự phát triển của vật lý bán dẫn và chất bán dẫn kỹ thuật.

Các thiết bị bán dẫn là nền tảng của thiết bị điện tử vô tuyến hiện đại; Máy tính là thiết bị điện tử vô tuyến phức tạp nhất từng được con người tạo ra. Mạch của một đài phát thanh cầm tay loại ngắn bao gồm 10-15 phần tử bán dẫn (bóng bán dẫn và điốt), TV màu trên chất bán dẫn - hơn 100. Một máy tính lớn chứa hàng chục triệu phần tử và vượt trội hơn nhiều so với tất cả các thiết bị khác về độ phức tạp của cấu trúc bên trong.

Đồng thời, thiết bị điện tử vô tuyến phức tạp nhất này bao gồm các phần tử ngôn ngữ đơn giản gọi là mạch logic. Đổi lại, cơ sở của chúng, và do đó là cơ sở hoạt động của tất cả các máy móc, là một yếu tố duy nhất có đặc tính chính: khả năng ở hai trạng thái vật lý hoàn toàn khác nhau, một trong số đó có thể được gọi theo quy ước là “không” và trạng thái còn lại là “một”. Các nhà vật lý được biết đến với hàng chục thiết bị được gọi là “chìa khóa” có đặc tính này, số lượng thiết bị như vậy đang tăng lên hàng năm và về nguyên tắc, có thể chế tạo được một máy tính dựa trên bất kỳ thiết bị nào trong số chúng. Nhưng chỉ về nguyên tắc thôi! Các máy tính thực sự đặt ra một loạt các yêu cầu quan trọng đối với phần tử chính của chúng.

Thứ nhất, tốc độ chuyển đổi của phần tử, tức là tốc độ chuyển từ trạng thái “0” sang trạng thái “1” và ngược lại, phải rất cao, vì nó quyết định tốc độ của toàn bộ máy; thứ hai, kích thước của nó phải rất nhỏ - xét cho cùng, có hàng triệu phần tử trong một máy tính; thứ ba, vì lý do tương tự, mức tiêu thụ điện năng và giá thành của nó sẽ rất thấp; thứ tư, nó phải đáng tin cậy; năm, …, thứ tám, …, mười…

Hóa ra, loại thiết bị duy nhất trong vô số thông tin về các phần tử “chìa khóa” đáp ứng tất cả các yêu cầu nghiêm ngặt và mâu thuẫn của máy tính hiện đại là các bóng bán dẫn, được kết hợp thành các mạch tích hợp lớn và cực lớn (VIS và SVIS).

Sau sự ra đời của các mạch tích hợp, bóng bán dẫn đã được tạo ra như sau. Hàng nghìn bóng bán dẫn và tất cả các kết nối cần thiết được tạo ra trên một tấm wafer silicon lớn hơn - mạch tích hợp (IC) có nguồn gốc từ năm 1952 và được triển khai vào năm 1959.

57

Máy tính nội địa EC-1060 là một trong những cỗ máy mạnh nhất thế hệ 3-20. Cơ sở phần tử là một IC dựa trên các bóng bán dẫn lưỡng cực. Tốc độ - 3 triệu thao tác mỗi giây. Chứa hơn 10 triệu bóng bán dẫn.

“Electronka BZ-38” là một máy tính vi mô dựa trên một tinh thể duy nhất chứa 35 nghìn bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Kích thước tinh thể ~5×5 mm2. Chứa các vi chương trình cho 34 phép toán. Tiêu thụ ít hơn 600 µW, nặng dưới 50 g.

Bộ não con người có khoảng 10¹³ mẩu thông tin. Để lưu trữ thông tin này trong bộ nhớ máy tính, vào năm 1960, cần có một căn phòng có thể tích 500 ml. m³.

Nếu tốc độ giảm kích thước hiện tại của các phần tử bán dẫn trong IC tiếp tục thì vào năm 2050, thông tin này có thể được chứa trong một thể tích nhỏ hơn thể tích của đầu người.

Nhựa được cắt thành nhiều tinh thể nhỏ, mỗi tinh thể tượng trưng cho một bóng bán dẫn trong tương lai. Sau đó bắt đầu một chuỗi dài các thao tác thủ công tốn nhiều công sức. Tinh thể được gắn vào một giá đỡ đặc biệt, dây dẫn được hàn vào tinh thể dưới microsom ở cả hai mặt, toàn bộ cấu trúc được đặt trong một vỏ đặc biệt và bịt kín. Và kết quả là bóng bán dẫn đã sẵn sàng hoạt động như một thành phần của bất kỳ mạch điện tử vô tuyến nào.

Hóa ra lúc đầu các bóng bán dẫn được tách ra khỏi nhau (khi tấm bị cắt), và sau đó, trong quá trình sản xuất mạch, chúng lại được kết nối với nhau.

Ý tưởng của IC là tạo ra cả bóng bán dẫn và các kết nối cần thiết giữa chúng trên một tấm wafer. Kết quả là mỗi tấm chứa các mạch điện tử làm sẵn. Vỏ máy giờ đây không chỉ chứa một bóng bán dẫn mà còn chứa một mạch điện với nhiều bóng bán dẫn (lên tới hàng trăm nghìn) và một số lượng tương đối nhỏ các thiết bị đầu cuối bên ngoài. Kích thước của các mạch điện tử giảm đi đáng kể và độ tin cậy của chúng tăng lên.

Nếu chiếc máy tính vi mô quen thuộc được lắp ráp không phải trên IC mà trên các bóng bán dẫn rời rạc thông thường, nó sẽ có kích thước bằng một chiếc bàn và bị hỏng mỗi giờ. Những vi phạm về đồng hồ điện tử hoàn toàn không thể tồn tại. Đúng vậy, và những chiếc máy tính hiện đại, với số lượng mười triệu bóng bán dẫn, thực tế là không thể: chúng sẽ hỏng cứ sau vài giây.

Máy tính sử dụng IC chứa hai loại bóng bán dẫn chính: lưỡng cực và hiệu ứng trường.

Trong các ghi chú tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận về nguyên tắc hoạt động của bóng bán dẫn lưỡng cực và hiệu ứng trường cũng như các mạch logic đơn giản nhất làm nền tảng cho hoạt động của máy tính.