เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์กำลังพัฒนาเร็วมาก มีเลย์เอาต์และการพัฒนาใหม่ๆ ที่ต้องตอบสนองความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือวงจรรวมขนาดใหญ่มาก มันคืออะไร? ทำไมเธอถึงมีชื่อเช่นนี้? เรารู้ว่า VLSI ย่อมาจากอะไร แต่ในทางปฏิบัติแล้วหน้าตาเป็นอย่างไร? ใช้ที่ไหน
ประวัติการพัฒนา
ในช่วงอายุหกสิบเศษ ไมโครเซอร์กิตเซมิคอนดักเตอร์ตัวแรกปรากฏขึ้น ตั้งแต่นั้นมา ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ได้พัฒนามาไกลตั้งแต่องค์ประกอบเชิงตรรกะอย่างง่ายไปจนถึงอุปกรณ์ดิจิทัลที่ซับซ้อนที่สุด คอมพิวเตอร์มัลติฟังก์ชั่นที่ซับซ้อนและทันสมัยสามารถทำงานบนผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์เดียวได้ พื้นที่หนึ่งตารางเซนติเมตร
น่าจะมีนะจำแนกและแยกแยะ ตั้งชื่อตามวงจรรวมขนาดใหญ่มาก (VLSI) เนื่องจากจำเป็นต้องกำหนดไมโครเซอร์กิต ซึ่งระดับการรวมเกิน 104 องค์ประกอบต่อชิป มันเกิดขึ้นในปลายทศวรรษที่เจ็ดสิบ ภายในเวลาไม่กี่ปี เห็นได้ชัดว่านี่คือทิศทางทั่วไปของไมโครอิเล็กทรอนิกส์
ดังนั้น ชื่อวงจรรวมขนาดใหญ่มากจึงถูกตั้งชื่อว่าเพราะจำเป็นต้องจำแนกความสำเร็จทั้งหมดในพื้นที่นี้ เริ่มแรก ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ถูกสร้างขึ้นจากการดำเนินการประกอบและมีส่วนร่วมในการใช้งานฟังก์ชันที่ซับซ้อนโดยการรวมองค์ประกอบหลายอย่างไว้ในสิ่งเดียว
แล้วไง
ในขั้นต้น ส่วนสำคัญของการเพิ่มขึ้นของต้นทุนของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตขึ้นนั้นอยู่ในกระบวนการประกอบอย่างแม่นยำ ขั้นตอนหลักที่แต่ละผลิตภัณฑ์ต้องผ่านคือการออกแบบ การใช้งาน และการตรวจสอบการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ฟังก์ชันต่างๆ เช่นเดียวกับขนาดของอุปกรณ์ที่นำไปใช้จริง ถูกจำกัดด้วยจำนวนส่วนประกอบที่ใช้ ความน่าเชื่อถือ และขนาดทางกายภาพเท่านั้น
ดังนั้น ถ้ามีคนบอกว่าวงจรรวมขนาดใหญ่บางตัวที่มีน้ำหนักมากกว่า 10 กก. ก็เป็นไปได้ทีเดียว คำถามเดียวคือความสมเหตุสมผลของการใช้ส่วนประกอบจำนวนมาก
การพัฒนา
ขอพูดนอกเรื่องนิดนึง ในอดีต วงจรรวมถูกดึงดูดด้วยขนาดและน้ำหนักที่เล็ก แม้จะค่อยๆ พัฒนาก็มีโอกาสใกล้ชิดกันมากขึ้นตำแหน่งขององค์ประกอบ และไม่เพียงเท่านั้น สิ่งนี้ควรเข้าใจไม่เพียงแค่การจัดวางที่กะทัดรัด แต่ยังรวมถึงการปรับปรุงตัวบ่งชี้ตามหลักสรีรศาสตร์ การเพิ่มประสิทธิภาพ และระดับความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงานด้วย
ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับตัวบ่งชี้วัสดุและพลังงาน ซึ่งขึ้นอยู่กับพื้นที่ของคริสตัลที่ใช้ต่อส่วนประกอบโดยตรง ขึ้นอยู่กับสารที่ใช้เป็นส่วนใหญ่ ในขั้นต้น เจอร์เมเนียมถูกใช้สำหรับผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ แต่เมื่อเวลาผ่านไป ซิลิโคนก็ถูกแทนที่ด้วยซึ่งมีลักษณะที่น่าสนใจมากกว่า
ตอนนี้ใช้อะไรอยู่
เราจึงรู้ว่าวงจรรวมขนาดใหญ่มากมีชื่อเรียกเช่นนั้น เพราะมีส่วนประกอบหลายอย่าง ปัจจุบันมีการใช้เทคโนโลยีใดบ้างในการสร้าง ส่วนใหญ่มักพูดถึงภูมิภาค submicron ลึกซึ่งทำให้สามารถใช้ส่วนประกอบใน 0.25-0.5 ไมครอนได้อย่างมีประสิทธิภาพและ nanoelectronics ซึ่งองค์ประกอบจะถูกวัดเป็นนาโนเมตร ยิ่งกว่านั้น สิ่งแรกค่อยๆ กลายเป็นประวัติศาสตร์ และในครั้งที่สองก็มีการค้นพบมากขึ้นเรื่อยๆ นี่คือรายการการพัฒนาสั้น ๆ ที่กำลังสร้างขึ้น:
- วงจรซิลิกอนขนาดใหญ่พิเศษ พวกมันมีขนาดส่วนประกอบขั้นต่ำในภูมิภาค submicron ลึก
- อุปกรณ์แยกส่วนความเร็วสูงและวงจรรวม พวกมันถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของซิลิกอน เจอร์เมเนียม แกลเลียมอาร์เซไนด์ เช่นเดียวกับสารประกอบอื่นๆ จำนวนหนึ่ง
- เทคโนโลยีของอุปกรณ์ระดับนาโน ซึ่งควรกล่าวถึงนาโนลิโทกราฟีแยกกัน
แม้ว่าจะมีการระบุขนาดเล็กไว้ที่นี่ แต่ไม่จำเป็นต้องเข้าใจผิดว่าอันไหนคือตัวสุดยอดวงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษ ขนาดโดยรวมอาจแตกต่างกันไปในหน่วยเซนติเมตรและในอุปกรณ์บางอย่างอาจมีขนาดเป็นเมตร ไมโครมิเตอร์และนาโนเมตรเป็นเพียงขนาดขององค์ประกอบแต่ละอย่าง (เช่น ทรานซิสเตอร์) และจำนวนของพวกมันสามารถเป็นพันล้านได้!
ถึงแม้จะเป็นตัวเลขดังกล่าว แต่วงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษอาจมีน้ำหนักหลายร้อยกรัม แม้จะหนักจนผู้ใหญ่ยกเองไม่ได้
มันถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร
มาดูเทคโนโลยีสมัยใหม่กัน ดังนั้น ในการสร้างวัสดุผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์พิเศษ เช่นเดียวกับรีเอเจนต์ทางเทคโนโลยี (รวมถึงของเหลวและก๊าซ) คุณต้องมี:
- ให้แน่ใจว่าสภาพการทำงานสะอาดเป็นพิเศษในพื้นที่แปรรูปและขนส่งแผ่นเวเฟอร์
- พัฒนาปฏิบัติการทางเทคโนโลยีและสร้างชุดอุปกรณ์ ซึ่งจะมีการควบคุมกระบวนการอัตโนมัติ นี่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพการประมวลผลที่ระบุและการปนเปื้อนในระดับต่ำ แม้ว่าเราไม่ควรลืมประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูงของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างขึ้น
การสร้างองค์ประกอบขึ้นเป็นเรื่องตลกขนาดที่คำนวณเป็นนาโนเมตร? อนิจจา เป็นไปไม่ได้ที่บุคคลจะดำเนินการที่ต้องการความแม่นยำอย่างเป็นปรากฎการณ์
แล้วผู้ผลิตในประเทศล่ะ
ทำไมวงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษมีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งกับการพัฒนาในต่างประเทศหรือไม่? ในช่วงต้นทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษที่ผ่านมาสหภาพโซเวียตได้อันดับสองในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ตอนนี้เป็นเรื่องยากมากสำหรับผู้ผลิตในประเทศที่จะแข่งขันกับบริษัทต่างชาติ มันไม่ได้แย่ไปซะหมด
ดังนั้น เกี่ยวกับการสร้างผลิตภัณฑ์ที่เน้นวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อน เราพูดได้อย่างมั่นใจว่าขณะนี้สหพันธรัฐรัสเซียมีเงื่อนไข บุคลากร และศักยภาพทางวิทยาศาสตร์ มีองค์กรและสถาบันค่อนข้างน้อยที่สามารถพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ได้ จริงอยู่ ทั้งหมดนี้อยู่ในปริมาณที่ค่อนข้างจำกัด
ดังนั้น บ่อยครั้งที่มีการใช้ "วัตถุดิบ" ที่มีเทคโนโลยีสูงเพื่อการพัฒนา เช่น หน่วยความจำ VLSI ไมโครโปรเซสเซอร์ และตัวควบคุมที่ผลิตในต่างประเทศ แต่ในขณะเดียวกัน ปัญหาบางอย่างของการประมวลผลสัญญาณและการคำนวณก็ได้รับการแก้ไขด้วยโปรแกรม
ถึงแม้เราจะไม่ถือว่าเราสามารถซื้อและประกอบอุปกรณ์จากส่วนประกอบต่างๆ ได้เท่านั้น นอกจากนี้ยังมีโปรเซสเซอร์ ตัวควบคุม วงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษ และการพัฒนาอื่นๆ เวอร์ชันในประเทศอีกด้วย แต่อนิจจาพวกเขาไม่สามารถแข่งขันกับผู้นำของโลกในแง่ของประสิทธิภาพ ซึ่งทำให้การดำเนินการเชิงพาณิชย์เป็นเรื่องยาก แต่การใช้พวกมันในระบบภายในประเทศที่คุณไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานมากหรือต้องดูแลความเชื่อถือได้นั้นค่อนข้างเป็นไปได้
PLC สำหรับลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้
นี่คือประเภทการพัฒนาที่มีแนวโน้มจะได้รับการจัดสรรแยกต่างหาก พวกเขาอยู่นอกการแข่งขันในพื้นที่เหล่านั้นที่คุณต้องการสร้างอุปกรณ์เฉพาะทางประสิทธิภาพสูงที่เน้นการใช้งานฮาร์ดแวร์ ด้วยเหตุนี้ งานของการขนานกระบวนการประมวลผลจึงได้รับการแก้ไขและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็นสิบเท่า (เมื่อเทียบกับโซลูชันซอฟต์แวร์)
โดยพื้นฐานแล้ว วงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษเหล่านี้มีตัวแปลงฟังก์ชันอเนกประสงค์ที่กำหนดค่าได้ ซึ่งให้ผู้ใช้ปรับแต่งการเชื่อมต่อระหว่างกัน และทั้งหมดนี้อยู่ในคริสตัลก้อนเดียว ผลที่ได้คือวงจรการผลิตที่สั้นลง ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจสำหรับการผลิตขนาดเล็ก และความสามารถในการเปลี่ยนแปลงในขั้นตอนใดๆ ของการออกแบบ
การพัฒนาวงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ใช้เวลาหลายเดือน หลังจากนั้นจะมีการกำหนดค่าในเวลาที่สั้นที่สุด - และทั้งหมดนี้อยู่ที่ระดับต้นทุนขั้นต่ำ มีผู้ผลิต สถาปัตยกรรม และความสามารถของผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่แตกต่างกัน ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการทำงานให้เสร็จสิ้นได้อย่างมาก
จำแนกอย่างไร
มักใช้สำหรับสิ่งนี้:
- ความจุลอจิก (ระดับของการรวม).
- การจัดระเบียบโครงสร้างภายใน
- ประเภทของโปรแกรมที่ใช้
- สถาปัตยกรรมตัวแปลงฟังก์ชัน
- มี/ไม่มี RAM ภายใน
แต่ละรายการสมควรได้รับความสนใจ แต่อนิจจาบทความมีขนาดจำกัด ดังนั้นเราจะพิจารณาเฉพาะส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดเท่านั้น
คืออะไรความจุเชิงตรรกะ?
นี่คือคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดสำหรับวงจรรวมขนาดใหญ่มาก จำนวนทรานซิสเตอร์ในนั้นสามารถเป็นพันล้านได้ แต่ในขณะเดียวกัน ขนาดของมันก็เท่ากับเศษเสี้ยวของไมโครมิเตอร์ที่น่าสังเวช แต่เนื่องจากความซ้ำซ้อนของโครงสร้าง ความจุเชิงตรรกะจึงวัดจากจำนวนเกทที่จำเป็นในการติดตั้งอุปกรณ์
ในการกำหนดนั้น มีการใช้ตัวชี้วัดหลายแสนหน่วยและหลายล้านหน่วย ยิ่งค่าความจุเชิงตรรกะสูงเท่าไร วงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษยิ่งมีโอกาสมากขึ้นเท่านั้น
เกี่ยวกับเป้าหมายที่ไล่ล่า
VLSI ถูกสร้างขึ้นสำหรับเครื่องรุ่นที่ห้า ในการผลิต พวกเขาได้รับคำแนะนำจากสถาปัตยกรรมสตรีมมิ่งและการใช้งานอินเทอร์เฟซอัจฉริยะระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร ซึ่งจะไม่เพียงแต่ให้การแก้ปัญหาอย่างเป็นระบบ แต่ยังให้โอกาส Masha ในการคิดอย่างมีตรรกะ เรียนรู้ด้วยตนเอง และวาดอย่างมีตรรกะ บทสรุป
สันนิษฐานว่าการสื่อสารจะดำเนินการในภาษาธรรมชาติโดยใช้รูปแบบคำพูด มันถูกนำไปใช้ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง แต่ก็ยังห่างไกลจากการสร้างวงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษในอุดมคติโดยปราศจากปัญหา แต่เรามนุษยชาติกำลังก้าวไปข้างหน้าด้วยความมั่นใจ การออกแบบอัตโนมัติ VLSI มีบทบาทสำคัญในเรื่องนี้
ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ต้องใช้ทรัพยากรมนุษย์และเวลาเป็นจำนวนมาก ดังนั้นเพื่อประหยัดเงินจึงใช้ระบบอัตโนมัติอย่างกว้างขวาง ท้ายที่สุดเมื่อจำเป็นต้องสร้างการเชื่อมต่อระหว่างพันล้านส่วนประกอบ แม้แต่ทีมงานที่มีคนหลายสิบคนก็ยังต้องใช้เวลาหลายปีกับมัน ในขณะที่ระบบอัตโนมัติสามารถทำได้ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง หากวางอัลกอริทึมที่ถูกต้อง
การลดลงเพิ่มเติมดูเหมือนจะเป็นปัญหาในขณะนี้ เนื่องจากเราเข้าใกล้ขีดจำกัดของเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์แล้ว ทรานซิสเตอร์ที่เล็กที่สุดนั้นมีขนาดเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตรอยู่แล้ว หากเราลดจำนวนลงหลายร้อยครั้ง เราก็จะพบมิติของอะตอม ไม่ต้องสงสัยเลยว่านี่เป็นสิ่งที่ดี แต่จะก้าวไปข้างหน้าในแง่ของการเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร? ในการทำเช่นนี้ คุณต้องไปที่ระดับใหม่ ตัวอย่างเช่น การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม
สรุป
วงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษมีผลกระทบอย่างมากต่อการพัฒนาของมนุษยชาติและความเป็นไปได้ที่เรามี แต่มีแนวโน้มว่าในไม่ช้าพวกเขาจะล้าสมัยและมีบางสิ่งที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงจะมาแทนที่พวกเขา
อนิจจา เรากำลังเข้าใกล้ขีดจำกัดของความเป็นไปได้แล้ว และมนุษยชาติก็ไม่คุ้นเคยกับการหยุดนิ่ง ดังนั้นจึงมีแนวโน้มว่าวงจรรวมขนาดใหญ่พิเศษจะได้รับเกียรติ หลังจากนั้นจะถูกแทนที่ด้วยการออกแบบขั้นสูง แต่ตอนนี้ เราทุกคนใช้ VLSI เป็นจุดสูงสุดของการสร้างที่มีอยู่
