Что такое микросхемы и какая их главная задача
Википедия гласит, что микросхема — это материальное воплощение электрической схемы, которое выполняет определенную функцию. Эта формулировка также подходит к чипам — маленьких плоских кусочков, на поверхности которых, собственно происходит весь процесс.
Микросхемы обрабатывают информацию, которая выражена двоичным кодом (бинарным кодом) единицами и нулями. Они работают на основе транзисторов — радиоэлектронных полупроводниковых элементов, которые управляют входным током. В одной микросхеме помещается до миллиарда транзисторов, что дает нам огромные вычислительные мощности. Сегодня, на микросхемах построены современные компьютеры, смартфоны и вся умная электроника.
Как работает микросхема
Так как микросхемы является основой всех гаджетов, что нас окружают, следовательно, технология достаточно массовая. В ее основе лежит специальный материал — монокристаллический кремний, на нем и формируется инженерами микросхемы с электронных элементов: конденсаторов, резисторов и транзисторов.
во избежании неприятностей, микросхемам нужен диэлектрик, который служит для изоляции транзисторов друг от друга и металлические проводники для соединения. Иными словами говоря, транзистор превращает входной ток и передает информацию в виде 01001 110 000111 010101… и тому подобное.
Как изготовляют монокристаллический кремний
В современных микросхемах на одном кристалле кремния расположены миллиарда транзисторов, поэтому их размещением занимается компьютер, а не человек.
Кристаллы для микросхем выращивают специальным способом, к сплаву кремния кладут небольшой кусочек самого кремния, и медленно его вращают, пока не начнет застывать. Из этого следует цилиндр монокристаллического кремния, который нарезают на несколько пластин. К кремнию добавляют атомы различных элементов, формируя ключевой элемент транзистора — p-n-переход. Пленка из оксида кремния изолирует транзисторы, а металлические развязки соединяют их между собой.
Быстрая и правильная обработка информации – главная задача микросхем
Выше говорилось, что микросхемы выполняют вычислительные функции.
Они обрабатывают двоичный код, трансформируя его в электрический сигнал и наоборот. С микросхем созданы различные устройства — от датчиков движения к средствам машинного зрения и разумных бытовых приборов.
Что такое закон Мура?
Основатель корпорации Intel Гордон Мур вычислил, что количество транзисторов на монокристалле удваивается каждые два года. Это происходит благодаря уменьшению самих транзисторов, однако у этого процесса есть предел, который рано или поздно придется пересечь, что есть проблемой, так как неизвестно как это сделать.
Производство центральных процессоров, внутри наших устройств, имеет ограничения. Дело в том, что общая вычислительная мощность возрастает, если распределять задачи между ядрами процессора. Логичное решение — создание многоядерных процессоров — позволило сделать рывок в микроэлектронике 10 лет назад, когда Intel представила двухъядерный процессор Core Duo.
Впрочем, этот же закон вводит ограничения на рост производительности от этой многоядерности.
Угрозу видят в том, что на фоне стремительного роста технологий микросхем предыдущие технологии будут слишком быстро и «искусственно-принудительно» устаревать. Через токсичные материалы, которые используют в производстве современных компьютеров, чрезмерный моральный износ без разумного регулирования имеет вредное воздействие на окружающую среду и может привести к катастрофе.
Мировая микроэлектроника, следуя закону Мура, до сих пор всегда опровергала опасения инженеров, что вот-вот упремся в непреодолимые физические ограничения, после которых отрасль или застрянет навсегда, или должна будет перейти на принципиально новые материалы и технологии.
Микросхемы: кремниевое сердце электроники
Ксения Рыкова для ПостНауки
Без чего не работают смартфоны и ноутбуки, какое будущее у микросхемотехники и чем опасно производство микросхем
Зачем нужны микросхемы? Чем важен кремний для электроники? В проекте «Мир вещей.
Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Микросхема, или чипы, — электронное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию, выраженную в единицах и нулях. Чипы работают на основе транзисторов — радиоэлектронных полупроводниковых элементов, которые управляют входящим электротоком. Главный элемент транзистора — p-n-переход (от англ. positive — положительный и negative — отрицательный): в нем соприкасаются полупроводники с противоположными типами проводимости.
В одной микросхеме умещается до миллиарда транзисторов, и это дает большие вычислительные мощности. На базе микросхем созданы современные компьютеры и умная электроника.
Принцип работы и устройство микросхемы
Основа смартфонов и ноутбуков — это монокристаллический кремний. На нем инженеры формируют микросхемы из электронных компонентов: резисторов, транзисторов и конденсаторов.
Чтобы избежать помех, микросхеме нужен диэлектрик для изоляции транзисторов друг от друга и металлические развязки-проводники для соединения. Транзистор преобразует входной ток и передает простейшую информацию в виде единиц и нулей. Ими оперирует булева алгебра для базовых логических функций: отрицания, тождества, сложения и пересечения.
Регистры настраиваются под каждую логическую функцию, а после объединяются в единую схему — процессор или микроконтроллер. Они выполняют вычислительное действие. В современных микросхемах на один кристалл кремния миллиарды транзисторов, поэтому настраивает и размещает их компьютер, а не человек.
Производство микросхем
Кристаллы для микросхем выращивают по методу Чохральского: в расплав кремния помещается небольшой кусочек кремния, затем его медленно вращают, и он начинает вытягиваться и застывать. В итоге получается цилиндр монокристаллического кремния, его нарезают на несколько пластин. В кремний добавляют атомы различных элементов (мышьяк, фосфор, бор), формируя базовый элемент транзистора — p-n-переход.
Пленка из оксида кремния изолирует транзисторы, а металлические развязки соединяют их между собой.
После этого в корпусе DIP (dual-in-line-package — прямоугольный корпус с двумя рядами контактов по бокам) кристалл соединяют с входами и выходами микросхемы. Как только кристалл распаян, то есть на нем появились контактные площадки, к ним приваривается проволочка и соединяется с ножками DIP. Затем микросхему помещают в корпус из эпоксида или пластика. При этом кристалл стоит поместить на медную или золотую подложку для отвода тепла: через микросхему в секунду проходит большой объем энергии, и нужна система охлаждения.
Микросхемы в основном делают на монокристаллах кремния, сырья для которого на планете очень много. Но есть и альтернативные материалы: сапфир, углерод, арсенид галлия, германий. Микросхемы на монокристалле сапфира отличаются тем, что их можно использовать в силовой электронике, когда в ход идут большие токи. Из-за этого их часто применяют в оборонных технологиях.
В качестве одной из альтернатив кремнию рассматривается углерод. У него есть три фазы: полупроводниковый карбин, проводящий графит и диэлектрик — алмаз, который можно использовать как полупроводник. Микросхемы на основе углерода позволят работать в широком температурном диапазоне. В устройствах на углеродных нанотрубках отсутствует p-n-переход, а его повреждение — частая причина поломки микросхемы.
Отдельный интерес представляют гибридные интегральные схемы — электронный компонент с элементом в виде сверхпроводника. Сверхпроводник позволяет избавиться от омических потерь — перехода энергии тока в тепловую энергию — и увеличить энергоэффективность. Благодаря этому тратится меньше энергии на единицу обработанной информации. На сверхпроводниках основан SQUID (Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интерферометр) — магнитометр, который может измерять слабые магнитные поля.
Производство микросхем требует особых норм безопасности, соблюдение которых чрезвычайно важно. Для обработки кремния используется плавиковая кислота — она обжигает нервные окончания и растворяет кости. При фотолитографии используются канцерогенные растворители и добавки — они раздражают слизистую оболочку и кожу.
Когда микросхемы утилизируют, из них необходимо выделить драгоценные металлы — в основном золото, но также серебро или платину и так далее. Этот процесс также требует соблюдения норм экологической безопасности.
Параметры микросхемы
Главная задача микросхемы — быстрая и правильная обработка информации. Это зависит от нескольких параметров.
Один из них — это тактовая частота работы. Внутри чипа один транзистор может отличаться от другого, поэтому их нужно синхронизировать. Для этого используется кварц в качестве генератора частоты. Относительно него вся информация передается с заданной частотой такта. Чем чаще частота, тем больше передается информации.
Применение микросхем
Микросхемы выполняют вычислительные функции. Они интерпретируют и обрабатывают информацию, которая сводится к единицам и нулям и выражается булевой алгеброй. Из микросхем создаются разные устройства — от датчиков движения до средств машинного зрения и умных пылесосов.
До массового распространения микросхем распылители жидкости или газа в автомобиле были механическими. Форсунка настраивалась так, чтобы бензин впрыскивался в определенный промежуток времени. Сейчас инжекторы снабжены микроконтроллером, который управляет топливными клапанами — регулирует расход горючего.
Поломки микросхем
Наиболее уязвимая часть микросхемы — это p-n-переход, основная часть транзистора. Между p- и n-областями образуется переходный слой, в котором нет свободных носителей заряда. Если в эту решетку попадает высокоэнергетическая частица — квант от солнца или иной звезды, — то она вносит носителей заряда, и появляется дополнительный ток носителей заряда. В итоге это может нарушить работу логической цепи или разрушить ее.
Из-за этой особенности для военных нужд долгое время использовали вычислительные машины на вакуумных лампах. Транзисторный приемник выйдет из строя при ядерном взрыве от высокоэнергетичных квантов, даже если устройство находилось далеко от эпицентра, а приемник на лампах продолжит работать.
P-n-переход в микросхемах может разрушаться и по естественным причинам. Когда чип работает, выделяется тепло, причем в больших количествах. Ускоряется диффузия (взаимопроникновение атомов веществ) элементов металлических соединений и примеси, с помощью которой по отдельности формировались p- и n-переходы.
В итоге p-n-переход исчезает.
Будущее микросхем
Главный вопрос будущего микросхем — что будет, когда перестанет работать закон Мура. Основатель Intel Гордон Мур вычислил, что количество транзисторов на монокристалле удваивается каждые 24 месяца. Это происходит благодаря уменьшению самих транзисторов, однако у этого процесса есть предел, который рано или поздно наступит.
В производстве центральных процессоров есть ограничения. Согласно закону Джина Амдала, общая вычислительная мощность растет, если распределять задачи между ядрами процессора. Практическое применение закона — создание многоядерных процессоров — позволило совершить рывок в микроэлектронике 10 лет назад, когда Intel представила двухъядерный процессор Core Duo. Но этот же закон вводит ограничения на рост производительности от распределения по ядрам.
Дата-центрам, серверам, суперкомпьютерам требуется много энергии на единицу переработанной информации, поэтому сокращение энергозатрат, в том числе и на охлаждение, — задача будущего микросхемотехники.
Источник: Постнаука
микросхем
микросхем| Микросхемы: Интерфейс между Нейроны и глобальная функция мозга. |
| Псих 607 | Микросхемы: интерфейс между нейронами и Глобальная функция мозга. | |
| Выпускной семинар Зимний семестр 2009 г. Магистранты могут записаться с инструктором утверждение ([email protected]). |
||
| Обзор | Микросхемы — это функциональные модули, которые действуют как
элементарные процессоры, соединяющие отдельные ячейки с системами и
поведение. |
|
| Цели | Чтобы понять основные понятия, экспериментальные методы и открытые вопросы в этой области; быть способным читать, представлять и обсуждать обзорные статьи и оригинальные научные статьи в сфере. | |
| Время и место встречи | Среда с 10:00 до 12:00, 317 Huestis | |
| Инструктор | Майк Вер | |
| Курсовая работа | Ожидается, что учащиеся будут посещать все занятия
собраний, делать все назначенные чтения и активно участвовать в
обсуждение семинара. Кроме того, каждый участник представляет доклад
или главу книги и проведите ее обсуждение в классе. |
|
| Учебник | Микросхемы, под редакцией Гриллнера и Грейбиля. | |
| Расписание | Вот расписание на данный момент. Мы доработаем планы
на недели 8-9-10 по мере приближения к ним.
неделя 2 (14 января) Тереза - презентация: глава 6.
чтение: гл. 6 неделя 6 (11 февраля) Эллисон — презентация: ch.17. чтение: ch.17 неделя 7 (18 февраля) Миранда — презентация: гл. 18. чтение: гл. 18 + групповой отчет (гл. 19) неделя 8 (25 февраля) бен — презентация: гл. |
2.
чтение: гл. 2 + групповой отчет (гл. 5) Е.И. Кодекс поведения для поставщиков Microcircuits, Inc.
Э.И. Компания Microcircuits, Inc. ценит честность и этичное деловое поведение, а компания E.I. Компания Microcircuits ожидает, что наши поставщики придерживаются тех же ценностей. В настоящем Кодексе поведения для поставщиков («Кодекс») кратко изложены наши ожидания в отношении наших поставщиков, все из которых соответствуют нашим корпоративным ценностям.
Общий отказ от ответственности: Ожидания, изложенные в настоящем Кодексе, не предназначены для противоречия или изменения условий договоров поставщика с E.I. Микросхемы. Если требование контракта является более строгим, чем настоящий Кодекс, поставщик должен соблюдать более строгие требования контракта.
Соблюдение законов: Как минимум, поставщики должны полностью соблюдать все законы и правила, применимые к их бизнесу и их отношениям с E.
I. Микросхемы.
Качество и экология, здоровье и безопасность: Продукция и услуги поставщиков должны разрабатываться, производиться и поставляться с первостепенным вниманием к безопасности и здоровью сотрудников и потребителей. Поставщики должны внедрить процессы обеспечения качества, чтобы обнаруживать и сообщать E.I. Микросхемы и исправление дефектов для обеспечения поставки продуктов и услуг, которые соответствуют контрактному качеству и законодательным и нормативным требованиям или даже превосходят их. Все необходимые проверки и испытания должны выполняться должным образом уполномоченными и квалифицированными лицами, а все требуемые сертификаты должны быть оформлены надлежащим образом.
Поставщики должны соблюдать все применимые законы, правила и директивы в области охраны окружающей среды, здоровья и безопасности; а также вести свою деятельность таким образом, чтобы защитить окружающую среду, свести к минимуму отходы, выбросы, потребление энергии и использование материалов, вызывающих озабоченность.
Поставщики также должны обеспечить безопасную и здоровую рабочую среду для своих сотрудников и приглашенных.
Конкуренция на основе достоинств и честной игры: Поставщики должны конкурировать исключительно на основе достоинств своих продуктов и услуг.
Поставщики не должны давать взятки в любом размере, кому бы то ни было, где бы то ни было, по какой бы то ни было причине. Соответственно, поставщики никогда не должны предлагать, обещать, санкционировать или предоставлять, прямо или косвенно, что-либо ценное (включая деловые подарки или знаки внимания) с намерением или эффектом побуждения кого-либо (включая клиента E.I. или второстепенного поставщика) отказаться от своих обязанностей и предоставить E.I. Микросхемы, поставщик или другие. Сюда входят платежи за упрощение формальностей (например, платежи за ускорение или обеспечение выполнения рутинных государственных действий, таких как получение визы или таможенная очистка).
Поставщики ни по какой причине не должны участвовать в антиконкурентных действиях.
Соответственно, поставщик никогда не должен фальсифицировать заявки, фиксировать цены или распределять клиентов или рынки, а также обменивать E.I. Конкурентно-конкурентная информация микросхем или поставщика (например, цена, стоимость, объем выпуска и т. д.) с E.I. Конкуренты микросхем или конкуренты поставщика. Поставщики также должны воздерживаться от злоупотребления своим положением на рынке, будь то в своих интересах или в интересах других лиц, путем отказа от заключения сделок, использования хищнической или дискриминационной практики ценообразования, обусловливания продажи или предоставления определенного продукта или услуги продажей или предоставлением определенного продукта или услуги другим продуктом. или службе, или прибегая к аналогичным оскорбительным действиям.
Поставщики не должны участвовать в других обманных или недобросовестных рыночных действиях. Соответственно, поставщики никогда не должны искажать информацию о компании E.I. Продукты или услуги Microcircuits, их собственные продукты или услуги или продукты или услуги других лиц.
Конфликт интересов: Поставщики должны избегать любых конфликтов интересов или ситуаций, создающих видимость конфликта интересов в их отношениях с E.I. Микросхемы. Поставщики должны отчитываться перед E.I. Микросхем любые случаи, связанные с фактическим или кажущимся конфликтом интересов между их интересами и интересами Е.И. Микросхемы, например, когда один из сотрудников поставщика (или кто-то близкий к одному из их сотрудников) имеет личные отношения с E.I. Сотрудник компании «Микросхемы», который может принимать решения, влияющие на бизнес поставщика, или когда E.I. Сотрудник Микросхемы имеет имущественный или финансовый интерес в бизнесе поставщика.
Международное торговое соответствие: Поставщики должны вести бизнес в строгом соответствии со всеми применимыми законами и правилами, регулирующими (а) экспорт, реэкспорт и ретрансляцию товаров, технических данных, программного обеспечения и услуг; (б) импорт товаров; с) экономические санкции и эмбарго; и (d) антибойкотные требования США.
Защита информации: Поставщики должны уважать законные права собственности и права интеллектуальной собственности E.I. Микросхемы и другие. Поставщики должны принимать надлежащие меры для защиты конфиденциальной информации, в том числе конфиденциальной, служебной и личной информации. Поставщики не должны использовать такую информацию для каких-либо иных целей, кроме деловых, для которых она была предоставлена, за исключением случаев, когда владелец информации предоставил предварительное разрешение.
Точность записей и представлений: Поставщики должны вести книги и записи, которые точно и полностью отражают все транзакции, связанные с E.I. Микросхемный бизнес и каждое из представлений поставщика в Е.И. Микросхемы, ее заказчики и контролирующие органы должны быть точными и полными.
Недискриминация: Поставщики должны справедливо относиться к своим существующим и потенциальным сотрудникам и деловым партнерам, основываясь только на заслугах и других факторах, связанных с их законными деловыми интересами, и независимо от расы, религии, цвета кожи, возраста, пола, гендерной идентичности.
или самовыражение, сексуальная ориентация, национальное происхождение, семейное положение, статус ветерана или инвалидность или любые другие характеристики, охраняемые применимым законодательством, в соответствии с принципами применимых конвенций МОТ.
Свобода ассоциации: Поставщики должны признавать принцип свободы ассоциации и право на ведение коллективных переговоров в том виде, в каком они существуют в соответствии с действующим законодательством в странах, где они работают.
Компенсация: Поставщики должны соблюдать все применимые правила, касающиеся заработной платы, часов и предусмотренных законом льгот. Сотрудникам должна быть предоставлена документация, касающаяся условий найма (например, компенсаций и льгот), а оплата сверхурочных должна производиться по премиальной/более высокой ставке. Кроме того, не должно быть снижения стандартных ставок заработной платы по дисциплинарным причинам.
Детский труд: Поставщики должны гарантировать, что детский труд не используется при выполнении их работы, независимо от того, связан ли он с E.
I. Бизнес микросхем, соответствующий принципам применимых конвенций МОТ. Термин «ребенок» относится к любому лицу, не достигшему минимального установленного законом возраста для приема на работу, где выполняется работа.
Торговля людьми: Поставщики должны соблюдать законы и правила, запрещающие торговлю людьми. Поставщики не должны использовать принудительный или обязательный труд, определяемый как всякая работа или услуга, требуемая от какого-либо лица под угрозой какого-либо наказания и за которую указанное лицо не предложило себя добровольно в соответствии с принципами применимых норм МОТ. соглашения. Другие формы принудительного или обязательного труда включают, помимо прочего, кабальный труд, кабальный труд, принудительный труд заключенных, рабство или торговлю людьми.
Домогательства и оскорбительное поведение: Поставщики должны разделять наши обязательства по созданию рабочих мест, свободных от домогательств, запугивания, угроз и насилия.
Притеснение относится к словам или действиям, которые создают запугивающую, враждебную или оскорбительную рабочую атмосферу. Будь то лично или в Интернете, домогательство — это не только то, что задумано, но и то, как его воспринимают другие. Это может быть (а) то, что человек говорит или пишет, включая расовые, этнические или гендерные оскорбления, шутки или стереотипы, а также угрожающие, громкие или оскорбительные выражения; (b) действия человека, например нежелательные прикосновения, сексуальные домогательства; намеренное блокирование чьего-либо пути, игнорирование кого-либо или преднамеренное унижение кого-либо, (c) то, что человек демонстрирует, например размещение непристойных фотографий или уничижительных лозунгов на рабочей станции или распространение их в электронном виде.
Мониторинг и соблюдение требований: Поставщики никогда не должны заниматься какой-либо деятельностью, запрещенной настоящим Кодексом, путем сознательного применения или бездействия соответствующих корректирующих мер, вплоть до увольнения, в отношении субподрядчика или поставщика, который осуществляет запрещенную деятельность от имени Э.
