Как это устроено: транзисторы — Журнал «Код» программирование без снобизма

Процессоры в компьютерах, телефонах и любой электронике состоят из транзисторов. В процессоре Apple A13 Bionic, который стоит внутри одиннадцатого айфона, 8,5 миллиарда транзисторов, а в Core i7 4790, который стоял внутри многих настольных компьютеров в 2014 году, — в 6 раз меньше.

Именно транзисторы выполняют всю компьютерную работу: считают, запускают программы, управляют датчиками и отвечают за работу устройства в целом.

При этом сам транзистор — простейший прибор, который по сути похож на кран или электрические ворота. Через транзистор идёт какой-то один ток, а другим током этот поток можно либо пропустить, либо заблокировать. И всё.

Вот примерная схема. В жизни ножки транзистора могут быть расположены не так, как на схеме, но для наглядности нам надо именно так:

Ток пытается пройти сквозь транзистор, но транзистор «закрыт»: на его управляющую ногу не подан другой ток.

А теперь мы подали на управляющую ногу немного тока, и теперь транзистор «открылся» и пропускает через себя основной ток.

Из миллиардов таких простейших кранов и состоит любая современная вычислительная машина: от чайника с электронным управлением до суперкомпьютера в подвалах Пентагона. И до чипа в вашем смартфоне.

В середине XX века транзисторы были большими: сотней транзисторов можно было набить карман, их продавали в радиотехнических магазинах, у них были прочные корпуса и металлические ножки, которые нужно было паять на плате. Такие транзисторы до сих пор продаются и производятся, но в микроэлектронике они не используются — слишком большие.

Это один из вариантов исполнения транзистора: пластиковый корпус и три ноги для соединения с платой.

Современный транзистор уменьшен в миллионы раз, у него нет корпуса, а процесс его монтажа можно сравнить скорее с процессом лазерной печати. Транзисторы размером несколько нанометров в буквальном смысле печатают поверх пластин, из которых потом получаются наши процессоры и память. Такие пластины называют вафлями, и если смотреть на них без микроскопа, это будут просто такие радужные поверхности. Радужные они потому, что состоят из миллиардов маленьких выемок — транзисторов, резисторов и прочих микрокомпонентов:

Вафля из миллиардов транзисторов. Если её разрезать в правильных местах, получатся наши микропроцессоры.

Что внутри транзистора

Если бы мы могли разрезать один транзистор в микропроцессоре, мы бы увидели что-то вроде этого:

Слева — проводник, по которому бежит ток, справа — просто проводник, пока без тока. Между ними находится проводящий канал — те самые «ворота». Когда ворота открыты, ток из левого проводника поступает в правый. Когда закрыты — правый остаётся без тока. Чтобы ворота открылись, на них нужно подать ток откуда-то ещё. Если тока нет, то ворота закрыты.

Теперь, если грамотно посоединять тысячу транзисторов, мы получим простейшую вычислительную машину. А если посоединять миллиард транзисторов, получим ваш процессор.

Почему все так полюбили транзисторы

До транзисторов у учёных уже было некое подобие вычислительных машин. Например, счёты: там оператор управлял перемещением бусин в регистрах и складывал таким образом числа. Но оператор медленный и может ошибаться, поэтому система была несовершенной.

Были механические счётные машины, которые умели складывать и умножать числа за счёт сложных шестерней, бочонков и пружин, — например, арифмометр. Они работали медленно и были слишком дорогими для масштабирования.

Были вычислительные машины на базе механических переключателей — реле. Они были очень большими — те самые «залы, наполненные одним компьютером». Их могли застать наши родители, бабушки и дедушки.

Позже придумали электронные лампы: там управлять током уже можно было с помощью другого тока. Но лампы перегревались, ломались, на них мог прилететь мотылёк.

И только в конце сороковых учёные изобрели твердотельные транзисторы: вся кухня с включением и выключением тока проходила внутри чего-то твёрдого, устойчивого и безопасного, не привлекающего внимания мотыльков. За основу взяли германий и кремний и стали развивать эту технологию.

Кайф твердотельных транзисторов в том, что взаимодействия там происходят на скоростях, близких к скорости света. Чем меньше сам транзистор, тем быстрее по нему пробегают электроны, тем меньше времени нужно на вычисления. Ну и сломать твердотельный транзистор в хорошем прочном корпусе намного сложнее, чем хрупкую стеклянную лампу или механическое реле.

Как считают транзисторы

Транзисторы соединены таким хитрым образом, что, когда на них подаётся ток в нужных местах, они выдают ток в других нужных местах. И всё вместе производит впечатление полезной для человека математической операции.

Пока что не будем думать, как именно соединены транзисторы. Просто посмотрим на принцип.

Допустим, нам надо сложить числа 4 и 7. Нам, людям, очевидно, что результат будет 11. Закодируем эти три числа в двоичной системе:

Десятичная	Двоичная
4	0100
7	0111
11	1011

Теперь представим, что мы собрали некую машину, которая получила точно такой же результат: мы с одной стороны подали ей ток на входы, которые соответствуют первому слагаемому; с другой стороны — подали ток на входы второго слагаемого; а на выходе подсветились выходы, которые соответствовали сумме.

Смотрите, что тут происходит: есть восемь входов и четыре выхода. На входы подается электричество. Это просто электричество, оно не знает, что оно обозначает числа. Но мы, люди, знаем, что мы в этом электричестве зашифровали числа.

Так же на выходе: электричество пришло на какие-то контакты. Мы как-то на них посмотрели и увидели, что эти контакты соответствуют какому-то числу. Мы делаем вывод, что эта простейшая машина сложила два числа. Хотя на самом деле она просто хитрым образом перемешала электричество.

Вот простейший пример компьютера, собранного на транзисторах. Он складывает два числа от 0 до 15 и состоит только из транзисторов, резисторов (чтобы не спалить) и всяких вспомогательных деталей типа батарейки, выключателей и лампочек. Можно сразу посмотреть концовку, как он работает:

Вот ровно это, только в миллиард раз сложнее, и происходит в наших компьютерах.

Что мы знаем на этом этапе:

1. Транзисторы — это просто «краны» для электричества.
2. Если их хитрым образом соединить, то они будут смешивать электричество полезным для человека образом.
3. Все компьютерные вычисления основаны на том, чтобы правильно соединить и очень плотно упаковать транзисторы.

В следующей части разберем, как именно соединены эти транзисторы и что им позволяет так интересно всё считать.

Кому нужны эти транзисторы? Тем, кто будет управлять миром

В будущем останется две профессии: программист и массажист для его утомленной шеи. Если у вас сильные руки и хорошая выносливость, пролистывайте. Если нет — вот билет в профессию будущего.

Начать карьеру в ИТ

История транзистора и транзисторного компьютера

Изобретение транзисторов является одним из наиболее важных открытий 20 – го века. Фактически, большинство электронных устройств, используемых в повседневной деятельности, основаны на транзисторах. От простого калькулятора до сложных систем сигнализации – этот крошечный электронный компонент внес большой вклад в электронику и электронные коммуникации.

 

Рассвет транзисторов

Транзисторы – это полупроводниковые устройства, которые выполняют две основные функции в электронной схеме – усилитель и переключатель. До эры транзисторов электронные лампы в основном использовались в качестве усилителя или переключателя в первой половине двадцатого века. Однако требования к высокому рабочему напряжению, высокое энергопотребление и высокое тепловыделение привели к тому, что электронные лампы со временем стали неэффективными и ненадежными. Не говоря уже о том, что эти трубки громоздкие и хрупкие, потому что корпус сделан из стекла. Чтобы решить эту дилемму, разные производители провели годы исследований в поисках подходящей замены.

Наконец, в декабре 1947 года трое физиков из Bell Laboratories успешно изобрели первый рабочий транзистор. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли потратили годы исследований, чтобы наконец разработать рабочий точечный транзистор. В 1948 году Шокли усовершенствовал устройство, превратив его в транзистор с биполярным переходом, который широко использовался в 1950-х годах. Их изобретение было настолько важным, что Бардин, Браттейн и Шокли были удостоены известной Нобелевской премии 1956 года.

 

Эволюция транзисторов

Как и любое другое устройство, транзисторы претерпели несколько нововведений. Еще в конце 1950-х годов германий сыграл решающую роль в разработке транзисторов. Однако транзисторы на основе германия имеют серьезные недостатки, такие как утечка тока и непереносимость температур выше 75 ° C. Кроме того, германий редок и дорог. Это побудило исследователей Bell Labs искать лучшую альтернативу.

Гордон Тил – громкое имя в эволюции транзисторов. Американский инженер Bell Labs, Тил разработал метод производства чистых кристаллов германия, которые будут использоваться в транзисторах на основе германия. Точно так же Тил экспериментировал с кремнием в качестве возможной замены германия. В 1953 году он вернулся в Техас после того, как ему предложили должность директора по исследованиям в Texas Instruments (TI). Используя свой опыт и знания в области полупроводниковых кристаллов, он продолжил работу над очищенным кремнием как заменой германия. В апреле 1954 года Тил и его команда в TI разработали первый кремниевый транзистор, о котором было объявлено миру в мае того же года. Благодаря своим превосходным характеристикам кремний постепенно вытеснил германий в качестве полупроводника, используемого для транзисторов.

С появлением кремниевых транзисторов исследователи Bell Labs достигли еще одного прорыва, разработав транзистор, который может превзойти по характеристикам транзистор с биполярным переходом. В 1959 году Мохамед Аталла и Давон Канг изобрели полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с более низким энергопотреблением и большей плотностью, чем биполярный транзистор. Эти ценные характеристики значительно сделали полевой МОП-транзистор, который с тех пор стал самым широко производимым устройством в истории.

 

Преобразование компьютерных технологий

Изобретение транзисторов также было революционным в миниатюризации компьютеров. Как и в более ранних электронных устройствах, в компьютерах первого поколения в качестве переключателей и усилителей использовались электронные лампы. После появления транзисторов производители также использовали небольшие устройства для создания более эффективных компьютеров меньшего размера. В последующие годы электронные лампы были полностью заменены транзисторами, что привело к появлению второго поколения транзисторных компьютеров.

Первым компьютером, в котором использовались транзисторы, был Транзисторный компьютер Манчестерского университета. Транзисторный компьютер был построен в качестве прототипа, состоящего из транзисторов с 92 точками контакта и 550 диодов, и был полностью введен в эксплуатацию в 1953 году. В 1955 году была представлена ​​полноразмерная версия этого компьютера с транзисторами с 200 точками контакта и 1300 диодами. Хотя в большинстве схем использовались транзисторы, это устройство не считалось полностью транзисторным компьютером, поскольку в его тактовом генераторе все еще использовались электронные лампы.

В середине 1950-х годов начали появляться похожие машины. Позже дизайн Манчестерского университета был принят компанией Metropolitan-Vickers, которая в 1956 году произвела семь машин, использующих биполярные переходные транзисторы. Однако устройство под названием Metrovick 950 не было коммерчески доступным и использовалось только внутри компании. Аналогичным образом, Bell Labs изобрела устройство TRADIC в 1954 году, но, как и в случае с транзисторным компьютером, TRADIC использовал вакуумные лампы в качестве тактовой энергии.

Компьютер управления Burroughs Atlas Mod 1-J1, построенный для ВВС США в 1955 году, был первым компьютером, полностью отказавшим от использования электронных ламп, и эта модель была первым полностью транзисторным компьютером. Массачусетский технологический институт также разработал TX-0, свой собственный транзисторный компьютер в 1956 году. Транзисторные компьютеры также начали появляться в других частях мира. Первым устройством, появившимся в Азии, стал японский ETL Mark III, выпущенный в 1956 году. DRTE, выпущенный в 1957 году, и австрийский Mailüfterl, выпущенный в 1958 году, были первыми транзисторными компьютерами в Канаде и Европе соответственно. В 1959 году Италия также выпустила свой первый транзисторный компьютер Olivetti Elea 9003 , который позже стал доступен на частном рынке.

Хотя транзисторные компьютеры появились во всем мире в 1950-х годах, они не были коммерчески доступны до 1959 года, когда General Electric выпустила General Electric 210 . Следовательно, другие производители также представили свои собственные флагманские модели транзисторных компьютеров. IBM 7070 и RCA 501 были одними из первых моделей , выпущенных, среди других. Крупномасштабные компьютеры также следовали этой тенденции. В Филко сделки модели S-1000 и S-2000 были один из первых коммерчески доступных крупномасштабных транзисторных компьютеров.

Развитие конструкции транзисторов привело к серьезным изменениям в конструкции компьютеров. Производство компьютеров на транзисторах росло со временем, поскольку технология стала доступной на рынке. В конце концов, интегральные схемы были приняты в 1960-х, уступив место третьему поколению компьютеров.

 

Маленький размер, большие изменения

Транзисторы стали выдающимися с момента их изобретения более 70 лет назад. Эта технология подтолкнула изобретение и развитие многих других электронных устройств. Скромный размер транзистора не скрывает его вклада в развитие технологий. Транзистор, несомненно, изменил облик электронных схем и привел к значительным изменениям в мире, особенно в компьютерных технологиях.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Насколько маленькими могут быть компьютеры — Look At Me

Каждую неделю Look At Me публикует отрывок из новой нон-фикшн-книги, выходящей на русском языке. В этот раз мы представляем книгу Джона Фарндона «Вопрос на засыпку», в которой собраны каверзные вопросы со вступительных экзаменов в университеты Оксфорда и Кембриджа. Книгу выпустило издательство «Манн, Иванов и Фербер».

Насколько маленьким

вы можете сделать компьютер?

(Инженерное дело, Кембридж)

Над этим вопросом в последнее время много думали разработчики компьютеров, и короткий ответ таков: очень-очень маленьким. Уже в 2013 году удалось создать полностью рабочий компьютер размером с песчинку. Его разработали для того, чтобы поместить прямо в глаз для мониторинга глаукомы, и потому остроумно назвали «микросучком», имея в виду известное библейское выражение (И что ты смотришь на сучок в глазе брата твоего, а бревна в твоём глазе не чувствуешь?» (Матфей 7:3)). Он включал в себя процессор, устройство для хранения данных и даже модуль беспроводной связи. В качестве источника питания использовались солнечные батареи, работающие за счёт попадающего в глаз света.

В процессе реализации европейского проекта Pico-inside был создан логический элемент гораздо меньших размеров. Его вычислительная мощь эквивалентна 14 транзисторам, и он состоит всего из 30 атомов. Это не только значит, что его нельзя увидеть в оптический микроскоп, — он слишком мал для того, чтобы его можно было увидеть при помощи чего-либо, кроме самых мощных туннельных сканирующих микроскопов. Внутрь упомянутого ранее «сучка» можно поместить около квинтиллиона таких процессоров!

Ещё в конце 1960-х годов основатель компании Intel Гордон Мур заметил интересную закономерность. В 1958 году два транзистора были соединены в интегральную схему на кристалле кремния, так появился первый кремниевый чип. С тех пор, как отметил Мур, количество транзисторов, помещающихся в одном чипе, удваивается каждый год. Поэтому электронные устройства каждый год уменьшаются в соответствии с законом Мура.

В последнее время темп миниатюризации снизился, и количество транзисторов удваивается каждые два года. Но всё же мы смогли создать «умные» устройства, которыми сейчас пользуемся, — планшеты и телефоны, — обладающие вычислительной мощью суперкомпьютеров недавнего прошлого. Каждый раз, когда кто-то утверждает, что миниатюризация достигла своего предела, проектировщики компьютеров умудряются вместить их в ещё меньший объём. Вопрос в том, сколько ещё мы сможем их уменьшать и зачем нам нужно что-то ещё меньшее.

Кажется, что мы действительно достигли предела возможностей обычных транзисторов. Они уже уменьшились до нано-размеров — миллиардных долей метра (размер вирусов). Дальше могут возникнуть проблемы. Транзисторы работают как вентили, включающие и выключающие поток электронов. Они сделаны из полупроводников, которые способны пропускать электроны или блокировать их. Но когда размер барьера уменьшается до нанометров, начинают проявляться квантовые эффекты. В частности, возникает туннельный эффект. Он заключается в том, что электрон проходит сквозь барьер так, будто бы его нет. (На самом деле он не проходит, а исчезает с одной стороны барьера и появляется с другой.) Если вентили не в состоянии преградить путь потоку электронов из-за туннельного эффекта, транзисторы просто не могут работать. Сейчас самые маленькие транзисторы имеют размер около 30 нм, так что этот предел скоро будет достигнут.

Главная проблема всех нанокомпьютеров не в вычислительной мощности, а в дополнительных устройствах

Транзисторы представляют собой логические элементы, от которых зависят вычисления: «да/нет», «и/или», 0/1. Если транзисторы достигнут своего предела, можно ли будет построить логику на альтернативных элементах, устойчивых к проявлению квантовых эффектов? Именно над этим вопросом работает команда проекта Pico-inside и другие исследователи.

Вместо того чтобы пытаться впихнуть как можно больше вычислительной мощности в минимальный объём, они начали с противоположной стороны и создали компьютер из атомов, чтобы использовать преимущества квантовых эффектов, а не устранить их. При постройке компьютера они применяли атомные силовые микроскопы, с помощью которых помещали атомы в нужное место. На данный момент, кроме логического элемента из 30 атомов, учёным удалось собрать из атомов шестерёнки, колёса и даже двигатели, каждый из которых представляет собой одну молекулу. До того, чтобы собрать полностью рабочий компьютер, ещё далеко, но возможность этого очевидна.

Главная проблема всех нанокомпьютеров не в вычислительной мощности, а в дополнительных устройствах. Как обеспечить для них питание? Как их охлаждать? Как они смогут взаимодействовать с другими устройствами? Бессмысленно создавать компьютер размером с молекулу, если затем понадобится в триллион раз больший модуль беспроводной связи и огромный аккумулятор или солнечная батарея. И, разумеется, солнечные батареи не будут работать в темноте. Именно эти проблемы предстоит решить, чтобы нанокомпьютеры стали реальностью.

Ещё более впечатляющих результатов можно добиться, если отказаться от обычных логических элементов на транзисторах в пользу квантовых вычислений. При этом целью будет не дальнейшее уменьшение компьютера, а использование силы квантовых эффектов для достижения высоких скоростей обработки информации. Для создания такого компьютера нужно уменьшить элементы настолько, чтобы вступили в силу квантовые эффекты, то есть до размера атома, электрона или даже фотона. Если квантовые компьютеры будут когда-либо построены, они станут использовать атомные и субатомные частицы в качестве рабочих элементов.

Смысл в том, что вместо обычных битов, способных принимать значение 0 и 1, можно будет использовать квантовые биты, или кубиты, которые находятся в состоянии суперпозиции и могут принимать значение 0 и 1 одновременно. В обычном компьютере биты должны менять своё состояние последовательно. При использовании кубитов все вычисления могут выполняться одновременно. Это значит, что такой компьютер станет решать задачи в миллионы раз быстрее обычного за счёт параллельной работы над задачей.

В 2014 году канадская компания D-Wave попала на обложку журнала Time с устройством, которое её сотрудники объявили первым коммерческим квантовым компьютером. Эта машина размером с большой шкаф — и она работает, — но никто не уверен, действительно ли она представляет собой квантовый компьютер. Также никто не уверен, что такой компьютер может принести какую-либо пользу. Предполагается, что он способен помочь банкам быстрее проводить финансовые операции при помощи сверхбыстрых вычислений, но зачем он нужен всему человечеству, пока неясно.

Устройства размером с ваш телефон смогут очень сильно увеличить свою вычислительную мощь и будут способны делать фантастические вещи

Это одна из проблем маленьких компьютеров: какова цель? Зачем нужен компьютер размером с песчинку, если легко потерять дома даже обычный сверхплоский телефон? На этот вопрос есть по меньшей мере два ответа.

Во-первых, устройства размером с ваш телефон смогут очень сильно увеличить свою вычислительную мощь и будут способны делать фантастические вещи, на которые они не способны в настоящий момент. Некоторые критики, впрочем, говорят, что это неправильный взгляд на мир. Не нужно увеличивать мощность отдельных компьютеров. Вместо этого следует улучшать связь, так чтобы вычислительная мощь всех компьютеров, объединённых в сеть, использовалась одновременно, как в случае облачных вычислений. При этом мощность вашего индивидуального терминала может быть небольшой, но он станет использовать всю мощь «облака». 

Во-вторых, нанокомпьютеры окажутся полезны для манипуляций с объектами в наномасштабе. Самые многообещающие возможности находятся внутри тела. Я уже рассказывал о компьютере, работающем в глазу. Нанокомпьютеры могут быть помещены в кровеносную систему для мониторинга кровообращения или для помощи при постановке диагноза. Одно такое маленькое устройство не способно на многое, но их совокупность, которую можно поместить в таблетку, позволит снизить уровень холестерина или уничтожить камни в почках.

Некоторые учёные говорят о перспективном использовании энергии органических молекул для построения биоразлагаемых компьютеров, которые смогут работать внутри живых тканей, доставляя в них лекарства или обезвреживая раковые клетки. Вид нашего тела, которое постоянно ремонтируют изнутри множество невообразимо маленьких компьютеризованных устройств, представляет собой чрезвычайно привлекательное зрелище.

В случае реализации это может стать самым большим прорывом в медицине за всё время её существования. Кроме того, нанокомпьютеры будут применимы во многих областях, от очистки внутренностей труб до создания новых лекарств молекула за молекулой.

Всё это пока остаётся достаточно отдалённой перспективой, так как существуют проблемы с питанием, связью и созданием таких устройств. Но кто ещё 60 лет назад мог представить, что компьютеры будут маленькими и достаточно мощными, чтобы делать всё то, что мы сейчас принимаем как данность, — например, позволять выходить в интернет при помощи небольшого телефона почти в любой точке мира?

Лично я не в силах изобрести компьютер, который был бы меньше и сложнее, чем счёты, но есть люди, которые это могут. Впрочем, я придумал кое-что получше: я приму участие в создании самого совершенного компьютера — человеческого мозга. Даже полностью выросший человеческий мозг удивительно мал для своих возможностей — это самый мощный известный компьютер.

От песка к компьютеру. Часть 1. Атомы и транзисторы / Хабр

Все мы еще с уроков информатики знаем, что информация внутри компьютера передаётся при помощи нулей и единиц, но оказалось, что большинство айтишников, с которыми я общаюсь (и довольно хороших!) слабо представляют, как же, все-таки, устроен компьютер.

Как заставить песок делать то, чего мы от него хотим?

Для большинства людей познания устройства компьютера оканчиваются на уровне его составных элементов — процессор, видеокарта, оперативная память… Но что именно происходит внутри этих чёрных прямоугольничков после подачи питания — магия. В этой статье (скорей всего, даже серии статей) я постараюсь простым языком объяснить, как же устроены эти таинственные прямоугольнички.

Собираем компьютер из атомов

Путь познания мы начнем почти с самого низкого уровня абстракции — с уровня атомов. Все мы знаем, что почти вся электроника основана на кремнии, но почему же именно кремний?

По-хорошему нужно пройти полный курс полупроводниковых приборов, но я изложу принципиальные моменты, которые позволят увидеть более структурированную и ясную картину происходящего.

Орбитали и энергетические уровни

Для примера возьмем простейший атом — водород. Ядро водорода состоит из одного протона и он имеет всего один электрон, который (упростим для понятности изложения) вращается по круговой орбите.

Вернее будет сказать, что орбита не круговая, а сферическая, то есть, электрон создает вокруг ядра оболочку. Согласно Принципу Паули, по одной такой орбите в атоме может вращаться не более двух электронов. Орбитали бывают не только сферической формы (так называемые S-орбитали), но и, например, гантелеобразной формы (P-орбитали).

Орбитали образуют подуровни: например, две S-орбитали образуют S-подуровень, который может вместить два электрона; три P-орбитали образуют P-подуровень, он уже может уместить 6 электронов за счет взаимно перпендикулярного расположения орбиталей в пространстве. На подуровнях орбиталей более сложной формы можно разместить уже большее число электронов (D, F, G, H, I — подуровни вмещают соответственно 10, 14, 18, 22, 26 электронов).
Чем сложнее форма оболочки и чем дальше электрон от ядра, тем большую он имеет энергию. На картинке справа изображён пример энергетических уровней, которые может занимать электрон в отдельном атоме.

Последние два слова выделены не просто так: когда появляются соседние атомы, картина меняется. Например, если мы начнем сближать два атома водорода, то система, как известно, будет стремиться к минимуму энергии. Поэтому для объединения двух отдельных атомов водорода в молекулу h3 это должно быть энергетически выгодно! 

И, действительно, энергетические уровни электронов каждого атома расщепляются, образуя два подуровня — верхний и нижний, которые становятся общими для теперь уже молекулы водорода. Как можно заметить, нижний подуровень обладает меньшей энергией, чем в отдельном атоме водорода, поэтому электроны его занимают и образуют молекулу, стягивая ядра, словно ремнями.

Атомы в кристалле

Если продолжать увеличивать число соседних атомов, то внутри крайних значений энергии расщеплённых уровней у двух соседних атомов появятся новые энергетические состояния (в виде дополнительной тонкой структуры). При достаточно большом количестве соседних атомов (то есть в кристалле вещества) дискретные разрешенные состояния сливаются в «полосы» — это знакомые многим

валентная зона, зона проводимости и запрещенная зона

.

Носители заряда и проводимость

Электроны, имеющие энергию в валентной зоне, не участвуют в переносе заряда по кристаллу: они прочно «сидят» в связях, а для того, чтобы электрон мог перемещаться по кристаллу, ему нужно занять более высокий энергетический уровень. Это можно сделать, сообщив ему энергию, превышающую ширину запрещенной зоны. При этом разрывается ковалентная связь, и в валентной зоне остается вакантное место — положительно заряженная «дырка».

Кремнию достаточно комнатной температуры, чтобы тепловые колебания кристалла разрывали ковалентные связи, образуя свободные носители заряда — дырки и электроны.

Полупроводники и диэлектрики

Характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,1—4 эВ. Кристаллы с шириной запрещённой зоны более 4 эВ обычно относят к диэлектрикам.

Полупроводники p- и n-типа

Все это увлекательно, но было бы достаточно бесполезно без

легирования

примесями.

Если атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заместить пятивалентным атомом элемента V группы таблицы Менделеева, то четыре валентных электрона примесного атома будут задействованы в формировании ковалентных связей. Пятый электрон не участвует в формировании ковалентных связей, он слабо связан с ядром и поэтому легко может перейти в зону проводимости и стать свободным носителем заряда, оставляя при этом неподвижный, положительно заряженный ион. Такая примесь называется донорной, а получившийся полупроводник — полупроводником n-типа (negative).

Если же атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заменить трехвалентным элементом, он сможет образовать лишь 3 из 4 ковалентных связей в решетке, так как для образования четвертой ему потребуется электрон из другой ковалентной связи. В такой комбинации образуется вакантное место — подвижная положительно заряженная дырка, и при этом остается неподвижный отрицательно заряженный ион примеси. Такая примесь называется акцепторной, а получившийся полупроводник — полупроводником p-типа (positive).

Обращаю внимание, что собственный полупроводник, полупроводник n-типа или p-типа являются электрически нейтральными и имеют равное количество положительных и отрицательных зарядов. Разница лишь в том, что у легированных полупроводников «зеркальные» электронам и дыркам заряды — это неподвижные ионы примеси, прочно сидящие в кристаллической решетке. В нелегированном полупроводнике количество свободных электронов равно количеству дырок, в легированном же (например, донорном) количество электронов превышает количество дырок, так как большая часть из них заменена на неподвижные ионы примеси.

Диод

Если соединить теперь полупроводник n-типа с полупроводником p-типа, мы получим диод. Кстати, реальный диод имеет мало общего с его схематичным изображением, но это уже другая история.

Рассмотрим, что же происходит на границе полупроводников. В n-полупроводнике высокая концентрация электронов, а в p-полупроводнике — низкая. Электроны, подобно газу, начнут перемещаться (диффундировать) из области с высокой концентрацией в область с более низкой.

Аналогично будут поступать и дырки из p-полупроводника.

Вследствие перемещений возникает диффузионный ток, обусловленный градиентом концентрации носителей заряда. Переходя через границу, подвижные носители заряда обнажают неподвижные ионы примеси, которые создают «останавливающее», противоположно направленное поле или, иначе, компенсирующий дрейфовый ток.

В отсутствие внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. Если внешнее поле приложено по направлению, оно компенсирует поле неподвижных ионов и открывает заслонку для диффузионного тока.

Если поле приложено в противоположном направлении, оно усиливает лишь дрейфовый ток, ничтожно малый, по сравнению с диффузионным.

Таким образом мы получаем элемент, который проводит ток в одну сторону и не проводит в другую.

Резисторно-диодная логика

Раз уж мы говорим о цифровой технике, отметим, что при помощи диода уже можно реализовать логические элементы

И

и

ИЛИ

:

Но для создания

функционально полной

системы логических функций, на основе которой можно получить любую логическую функцию, нам не обойтись без элемента

НЕ

.

Для создания этого элемента нам потребуется транзистор.

Транзистор

По сути, транзистор — это схема из двух диодов, включенных встречно. В отсутствие напряжения на среднем электроде (базе) ток между другими электродами не течет.

Создав разность потенциалов между эмиттером (электродом с повышенной концентрацией носителей заряда) и тонкой базой, мы создаем поток неосновных носителей заряда из эмиттера в базу, а в случае pnp-транзистора — дырки.

Так как концентрация дырок в эмиттере повышена, а база тонкая, ее объем заполняется дырками, и она превращается из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, соединяя между собой эмиттер и коллектор.

Инвертор

Подключив npn-транзистор следующим образом, мы получаем инвертор: при наличии лог 1 на базе транзистор открывается и соединяет выход с землей — лог 0. При лог 0 на базе — транзистор заперт и выход подтянут к питанию — лог 1.

Таким образом мы получаем управляемый напряжением электронный ключ, который позволяет создать логический элемент

НЕ

, а, следовательно, и функционально полную систему логических функций.

На этой ноте заканчиваем с физикой, электронами и дырками: мы имеем всё необходимое для создания вычислительного устройства.

Как заставить логические элементы что-либо вычислять, запоминать и выполнять инструкции — в следующей статье.

Черная пятница 2017 — VDS в Москве и Амстердаме

Как делают процессоры и что такое техпроцесс

Самый первый коммерческий микропроцессор в истории, Intel 4004, был представлен в 1971 году. Тогда это была революция — на его площади размещалось целых 2250 транзисторов. Всего через 7 лет, в 1978-ом, был представлен Intel 8086 с 29 тысячами транзисторов. И ровно через 42 года, в 2020-м, у нас есть Apple M1 — без прикрас революционный чип с 16 миллиардами транзисторов. А всё благодаря техпроцессу.

Сегодня такие производители, как TSMC освоили производство чипов, а вернее сказать транзисторов, по 5-нанометровой технологии. Чтобы вы наглядно понимали, насколько малы такие транзисторы — волос человека имеет толщину 80 тысяч нанометров — выходит, на его разрезе в теории можно разместить 16 тысяч транзисторов. Вирус COVID-19 имеет размер 110 нм и на нём можно разместить целых 22 транзистора от Apple M1.

Однако есть теории, что производители нам немного врут и за этими значениями нанометров, как правило, скрываются другие цифры. В этом материале мы разберём с вами в том, как вообще устроен техпроцесс, что в нём измеряют, затронем производство чипов, поймём преимущества уменьшения размеров транзисторов и заглянем в будущее.

Что делают транзисторы в процессорах

Любое вычислительное устройство, будь то компьютер, смартфон или ваши AirPods, работает в двоичной системе счисления. То есть все операции записываются, просчитываются и выводятся в последовательности нулей и единиц.

Транзистор в процессоре можно представить в роли своеобразного переключателя. Если ток через него проходит — это 1, если нет — то это 0. И таких переключателей в современных процессорах миллиарды. Разная последовательность нулей и единиц образует информацию — программы, музыку, картинки, видео и даже этот текст. Раньше роль транзисторов в первых ЭВМ выполняли вакуумные лампы.

Например, в ENIAC (это первый компьютер общего назначения) использовалось 17,5 тысяч вакуумных ламп. На этом компьютере производили вычисления для создания водородной бомбы, а ещё составляли прогнозы погоды и решали задачи из математики и физики. Суммарное энергопотребление этих 17 с половиной тысяч вакуумных ламп составляло целых 150 кВт, а сама ЭВМ требовала площадь для её сборки в 167 квадратных метров при весе в 27 тонн.

Само собой, всё это очень ограничивало технические возможности таких компьютеров, благо в январе 1959 года Роберт Нойс, по совместительству один из восьми основателей легендарной компании Fairсhild Semiconductor Company в Кремниевой долине, изобрёл интегральную схему на основе кремния, принципы которой легли в основу производства всех микропроцессоров.

Почему кремний?

Все чипы, которые производятся для массового рынка, делаются на кремниевой основе. Если не углубляться совсем в какие-то страшные и непонятные цифры с формулами, то причина кроется в атомной структуре кремния, которая идеально подходит для того, чтобы делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.

Получают кремний, к слову, из песка. Да, самого обычного, который у вас есть на ближайшем берегу. Но вот в чём подвох — его чистота, если говорить в цифрах, составляет 99,5% (0,5% в таком кремнии составляют разные примеси). Может показаться, что это уже суперблизко к идеальной чистоте, но нет, для процессора необходимо, чтобы кремний имел чистоту 99,9999999%. Для этого материал проводят через цепочку определённых химических реакций. После этого кремний плавят и наращивают в один большой кристалл. Весит он под сотню килограмм и выглядит следующим образом:

После этот кристалл нарезается на пластины с диаметром около 30-сантиметров, которые тщательно шлифуются, чтобы не было никаких зазубрин. Дополнительно применяется ещё химическая шлифовка. Если хотя бы на одной пластине будут шероховатости — её забракуют. А вот готовые пластины кремния отправляют на дальнейшее производство.

Как создаются транзисторы процессора?

На отполированный кремниевый диск наносится специальный фоточувствительный слой, на который затем поступает поток света — он реагирует с молекулами слоя и изменяет свойства кремниевого диска. Этот процесс называется фотолитографией. В отдельных его частях после этого ток начинает проходить иначе — где-то сильнее, где-то слабее.

Затем этот слой покрывается изолирующим веществом (диэлектриком). После на него снова наносится специальный фоточувствительный слой и данный процесс повторяется несколько раз, чтобы на площади появились миллиарды мельчайших транзисторов. Которые потом ещё соединяют между собой, тестируют, разрезают на ядра, соединяют с контактами и упаковывают в корпус процессора.

Благодаря фотолитографии у инженеров есть возможность создания мельчайших нанометровых транзисторов. Однако, как оказывается, техпроцессом в разное время называли разные вещи.

«Он вам не техпроцесс»

Изначально техпроцессом производители обозначали длину затвора у транзистора. Затвор — это один из элементов транзистора, которым контролируется поток движения электронов. То есть, он решает — будет 0 или 1.

В соответствии с законом Гордона Мура (одного из основателей Intel), количество транзисторов в чипах удваивается в два раза каждые два года. Этот закон был им выведен в 1975 году сугубо на основе личных наблюдений, но они оказались в итоге верны.

За последние годы процессоры прибавили в количестве транзисторов, производительности, но не в размерах. Когда индустрия перешла с техпроцесса 1000 нм на 700 нм, производители обратили внимание, что другие элементы транзистора не так податливы уменьшению, в отличие от затворов. Однако и уменьшать затвор тоже уже было нельзя — потому что в таком случае электроны смогли бы проходить сквозь него и вызывать нестабильную работу чипа. 

В 2012 году с переходом на 22-нанометровый техпроцесс инженеры придумали новый формат проектирование транзисторов — FinFET (от «fin» — рус. «Плавник»). Потому что он действительно стал похож на плавник рыбы.

Принцип заключается в увеличении длины канала, через который проходят электроны. За счёт этого в целом увеличивается площадь поверхности канала, что даёт возможность прохождения через него большему количеству электронов. С увеличением длины производители также получили возможность упаковки транзисторов с большей плотностью на один квадратный миллиметр.

Это, кстати, повысило производительность чипов за последние несколько лет, особенно в мобильных процессорах. Однако, из-за того что транзисторы перестали быть плоскими, став трёхмерными — это усложнило измерения их размера. Простите за тавтологию.

Разные производители, как правило, по-своему производят измерения. Например, Intel берут среднее значение двух размеров от наиболее распространённых ячеек. Кто-то делает иначе, однако в целом всё равно — нанометры, о которых говорят в графе «техпроцесс» являются чем-то усреднённым, но в целом значение практически полностью соответствует размеру одного транзистора. Но ещё, что важно в процессоре — это плотность размещения транзисторов.

Что важнее — нанометры или плотность

Многие ругают Intel за то, что они ещё не смогли выпустить свой коммерческий процессор на архитектуре 5 или 7 нм, как это делают Apple и Qualcomm. Но вот по плотности размещения транзисторов — Intel безусловный лидер. На один квадратный миллиметр 10 нм процессора Intel помещается на целых 5% больше транзисторов, чем в чипах от Apple, Qualcomm или AMD. Кстати, последние поколения процессоров от этих трёх брендов производит TSMC. 

В интернете я наткнулся на сравнительную табличку процессоров Intel и TSMC:

Обратите внимание на 10- и 7-нанометровые чипы у Intel и TSMC соответственно. Размеры составляющих у них почти идентичны, поэтому 10-нанометров Intel не сильно-то и уступают 7 нм у TSMC. А вот по производительности, за счёт повышенной плотности транзисторов, как я уже сказал выше, даже выигрывают.

Однако, чем больше плотность — тем больше нагрев, поэтому чипы Intel не подойдут для использования в мобильной технике. Зато TSMC выигрывает в плане меньшего энергопотребления и тепловыделения.

А вот тут вы можете сказать — «стоп, но как Intel выдаёт больше производительности, если Apple M1, который производит TSMC разносит старые десктопные процессоры в пух и прах». Да, это действительно так, на деле Apple M1 действительно превосходит в вычислениях Intel, но причина тут не сколько в количестве транзисторов или техпроцессе, сколько в том, насколько эффективно процессор работает с этими транзисторами. В Intel x86 есть много лишних блоков команд, которые TSMC в некоторых производимых чипах, не использует. Об этом более подробно мы писали в отдельном материале с разбором x86 и Apple M1.

Так что дают нанометры

В действительности, уменьшение техпроцесса и правда положительно влияет на такие показатели, как энергопотребление и производительность. Однако многие нюансы в производстве чипов компании не раскрывают, и найти в интернете их невозможно. А из того, что есть — создаётся впечатление о множестве противоречий.

В целом я бы советовал воспринимать цифры, которые говорят нам производители чипов, как среднее значение от всех составляющих. Так что заявлять, что производители нам врут — нельзя, но и что нанометры полностью соответствуют действительности тоже нельзя. Влияет также то, по какому формату производятся эти чипы и какие применяются материалы. В любом случае — чем меньше техпроцесс, тем лучше.

Новая структура транзистора

Вполне возможно, что вместо уменьшения техпроцесса начнётся работа по изменению структуры создание транзисторов. К примеру, Samsung недавно анонсировали технологию Gate-All-Around FET (GAAFET) для технормы в 5 нм. Подобная структура транзистора обеспечивает вхождение электронов со всех сторон, что более эффективно.

На картинке выше вы можете увидеть, что гребень затвора не сплошной, а разделён на несколько нитей. Если подобное будет реализовано и в других чипах, тогда можно рассчитывать на повышение производительности в процессорах и понижение энергопотребления не уменьшением техпроцесса, а доведением до ума того, что есть сейчас.

Что ждать в будущем?

Летающие автомобили, киборги, путешествие со скоростью света и перемещение во времени — это всё фантастика. Но вот 3 нм или 1,4 нм чипы, вполне возможно, нет.

На сегодня известно, что Intel к 2029 году планируют освоить 1,4 нм техпроцесс, а TSMC уже начали исследование 2 нм. Для этого компании должны разработать новое оборудование для производства, обучить персонал и сделать многое другое.

Другой вопрос, что транзистор 1,4 нм по размерам сопоставим примерно с 10 атомами и это может плохо отразиться на производительности. Случайные электроны могут менять биты по несколько раз в секунду и тогда о стабильных вычислениях может не идти и речи. Может быть закон Мура уже не актуален и его эпоха просто подходит к концу, а мы ещё этого не понимаем?

ученые создали многозначный логический транзистор

Компьютеры и аналогичные электронные устройства стали быстрее и ощутимо меньше за последние десятилетия, так как производители компьютерных микросхем научились сокращать размеры отдельных транзисторов — крошечных электрических переключателей, которые передают цифровую информацию.

Погоня ученых за уменьшением размера транзисторов позволила упаковывать большее их количество в каждый кремниевый чип. Но эта гонка почти закончена: исследователи быстро приближаются к физическому минимуму для размера кремниевого транзистора, 10 нм — в этом случае он будет состоять всего лишь из пары-тройки десятков атомов. Дальнейшее уменьшение размера транзистора чревато резким повышением токов утечки и появлению эффекта туннелирования (когда электрон проходит через вещество, не замечая его) — иными словами, транзистор перестает им быть.

«Кремниевый процессор в современной технике имеет сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов», — сказал доктор Кёнджо Чо, профессор материаловедения и инженерии в Техасском университете в Далласе. «Но мы быстро приближаемся к нижним пределам масштаба».

Чтобы продолжать наращивать производительность процессоров, индустрия микроэлектроники ищет альтернативные технологии. Исследование Чо предлагает интересную возможность сделать транзистор быстрее без уменьшения его техпроцесса — увеличить его словарный запас.

Так как с физической и электрической точки зрения транзистор является переключателем, то он может быть либо включен, либо выключен, что можно трактовать как 0 или 1 в двоичном языке. Одним из способов увеличения производительности процессора без добавления дополнительных логических элементов является увеличение объема информации, с которым работает каждый транзистор, путем введения промежуточных состояний между состояниями включения и выключения. Основанный на этом принципе так называемый многозначный логический транзистор позволит обрабатывать больше операций и работать с большим количеством информации, чем обычный бинарный транзистор.

«Концепция многозначных логических транзисторов не нова, и было много попыток сделать такие устройства», — сказал Чо. Например, в конце 50-ых годов в СССР был создан компьютер «Сетунь», который работал на троичных ферритодиодных ячейках. В каждый трит (троичный аналог бита) записывалось два двоичных разряда: иными словами, комбинации (0,0) и (1,1) давали в результате 0, (0,1) — это -1, а (1,0) уже 1, так что в итоге получалась симметричная троичная система (-1, 0, 1). Однако, такие ячейки были дороги и трудны в производстве, так что после производства 46 таких компьютеров от них решили отказаться в пользу более привычных и дешевых двоичных транзисторов.

Компьютер «Сетунь».

Команда Чо в Техасском университете разработала фундаментальную физику многозначного логического транзистора на основе оксида цинка. Их коллеги в Южной Корее успешно изготовили и оценили характеристики прототипа устройства на их базе. Устройство Чо способно к двум электрически стабильным и надежным промежуточным состояниям между 0 и 1, увеличивая число логических значений на транзистор с двух до трех или четырех.

По словам Чо, его новое исследование является важным не только потому, что технология совместима с существующими конфигурациями компьютерных чипов, но также и потому, что она может преодолеть разрыв между обычными и квантовыми компьютерами, что потенциально является следующей вехой в развитии вычислительной техники.

В то время как обычный компьютер использует точные значения 1 и 0 для выполнения вычислений, основная логическая единица квантового компьютера — кубит — устроена более сложно: его значения могут существовать в виде комбинации 1 и 0 одновременно или в любом месте между ними. Несмотря на то, что до коммерческих квантовых компьютеров еще очень далеко, теоретически они способны решать определенные проблемы (например, подбор пароля) гораздо быстрее, чем современные компьютеры.

«Устройства, базирующиеся на многоуровневой логике, будут быстрее, чем обычные компьютеры, потому что они будут работать не только с двоичными логическими единицами. Но все же квантовые устройства будут быстрее, потому что кубиты имеют непрерывные значения», — сказал Чо.

«Транзистор — уже достаточно зрелая технология, а квантовые компьютеры еще и близко не готовы к коммерциализации», — продолжил он. «Между ними существует огромный разрыв. Итак, как нам перейти от одного к другому? Нам нужен какой-то эволюционный путь, технология между двоичными и бесконечными степенями свободы. Наша работа по-прежнему основана на транзисторных технологиях, которые используются в существующих устройствах, поэтому она не такая революционная, как квантовые вычисления, но она все равно развивается в этом направлении».

Технология, которую Чо и его коллеги разработали, использует новую конфигурацию двух форм оксида цинка, соединенных для формирования композитного нанослоя, который затем объединяется со слоями других материалов в сверхрешетке. Исследователи обнаружили, что они могут достичь физики, необходимой для многозначной логики, встраивая кристаллы оксида цинка, называемые квантовыми точками, в аморфный оксид цинка. Атомы, составляющие аморфное твердое вещество, не так жестко упорядочены, как в кристаллических твердых телах.

На изображении слева показаны две формы оксида цинка, объединенные для формирования составного нанослоя в транзисторе нового типа: кристаллы оксида цинка (внутри красных кружков) встроены в аморфный оксид цинка. Изображение справа — компьютерная модель структуры, которая показывает распределение электронной плотности.

«Создавая этот материал, мы обнаружили, что можем создать новую электронную структуру, которая обеспечит такое многоуровневое логическое поведение», — сказал Чо, подавший заявку на патент. «Оксид цинка — это хорошо известный материал, который имеет тенденцию образовывать как кристаллические, так и аморфные твердые вещества, поэтому с самого начала это был очевидный, но, возможно, не самый лучший выбор. Нашим следующим шагом будет изучение то, насколько универсальным является такое поведение среди других материалов, поскольку мы пытаемся оптимизировать технологию. Двигаясь вперед, я также хочу посмотреть, как мы можем связать эту технологию с квантовыми устройствами».

Что такое транзистор процессора?

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое переключает и усиливает электронные сигналы. Он имеет минимум три клеммы, которые соединяют его с электронной схемой. Транзистор был изобретен в начале 1950-х годов, и он быстро заменил вакуумные трубки в электронных устройствах. Эти устройства в настоящее время являются важным компонентом почти всех электронных устройств, таких как центральный процессор (ЦП) компьютера. Транзистор ЦП, как правило, является частью интегральной схемы, хотя его также можно приобрести отдельно.

Клеммы в транзисторе ЦП имеют конкретные названия в зависимости от типа транзистора. Клеммы простого биполярного транзистора называются коллектором, эмиттером и базой. Ток или напряжение, приложенное к базе, влияет на ток, протекающий от коллектора к эмиттеру.

Напряжение на базе транзистора можно использовать для включения и выключения тока, протекающего от коллектора к эмиттеру. Этот тип транзистора представляет собой коммутатор и представляет собой обычный тип транзистора ЦП, называемый логическим вентилем. Переключатель, как правило, не позволяет току течь через него, если напряжение на базе не превышает минимальный порог. Напряжение на базе контролируется другими компонентами в цепи.

Транзистор ЦП также может быть усилителем. Этот тип транзистора использует напряжение на базе для управления величиной тока, который протекает через усилитель. Это означает, что небольшое изменение напряжения на базе может привести к большой разнице в напряжении между коллектором и эмиттером.

Транзисторы обеспечивают значительные преимущества по сравнению с вакуумными лампами в компьютерах. Транзистор ЦПУ намного меньше, чем его эквивалент вакуумной трубки, что позволяет миниатюризировать компьютеры. Изготовление транзисторов может быть автоматизировано в большей степени, чем производство вакуумных трубок, что означает, что транзисторы дешевле, чем вакуумные трубки.

Первый патент на транзистор был подан Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году, хотя он на самом деле не создавал такое устройство. Герберт Матаре обнаружил полупроводниковые эффекты, работая в доплеровской радиолокационной системе в 1942 году. Затем технология развивалась, и в 1947 году, работая в Bell Labs компании AT & T, Уолтер Браттен и Джон Бардин обнаружили, что кристалл германия может усиливать электрический ток. Гордон Тил построил первый кремниевый транзистор для Texas Instruments в 1954 году, а транзистор ЦП, который представляет собой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOS), был впервые построен в Bell Labs в 1960 году.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Транзисторов и компьютерный век

Когда массовое производство транзисторных слуховых аппаратов и радиоприемников стало реальностью, инженеры поняли, что транзисторы заменят и электронные лампы в компьютерах. Один из первых предтранзисторных компьютеров, знаменитый ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер), весил 30 тонн, отчасти благодаря более чем 17 000 электронных ламп. Было очевидно, что транзисторы полностью изменят вычислительную технику и приведут к уменьшению размеров машин.

Германиевые транзисторы, безусловно, положили начало компьютерной эре, но кремниевые транзисторы произвели революцию в компьютерном дизайне и породили целую индустрию в Калифорнии, метко названной Силиконовой долиной.

В 1954 году Джордж Тил, ученый из Texas Instruments, создал первый кремниевый транзистор. Вскоре производители разработали методы массового производства кремниевых транзисторов, которые были дешевле и надежнее, чем транзисторы на основе германия.

Кремниевые транзисторы прекрасно подходят для компьютерного производства. Благодаря умной инженерии транзисторы помогли компьютерам выполнить огромное количество вычислений за короткое время. Простое переключение транзисторов — это то, что позволяет вашему компьютеру выполнять чрезвычайно сложные задачи.В компьютерном чипе транзисторы переключаются между двумя двоичными состояниями — 0 и 1. Это язык компьютеров. Один компьютерный чип может иметь миллионы транзисторов, которые постоянно переключаются, что помогает выполнять сложные вычисления.

В компьютерном чипе транзисторы не изолированы, это отдельные компоненты. Они являются частью так называемой интегральной схемы (также известной как микрочип ), в которой многие транзисторы работают согласованно, чтобы помочь компьютеру выполнять вычисления.Интегральная схема — это кусок полупроводникового материала, на котором установлены транзисторы и другие электронные компоненты.

Компьютеры используют эти токи в тандеме с булевой алгеброй для принятия простых решений. Имея множество транзисторов, компьютер может очень быстро принимать множество простых решений и, следовательно, очень быстро выполнять сложные вычисления.

Для выполнения задач компьютерам нужны миллионы или даже миллиарды транзисторов. Благодаря надежности и невероятно малому размеру отдельных транзисторов, которые намного меньше диаметра одного человеческого волоса, инженеры могут упаковать непостижимое количество транзисторов в широкий спектр компьютеров и связанных с ними продуктов.

История транзистора и транзисторного компьютера

Изобретение транзисторов — одно из важнейших достижений 20 ^-го века. Фактически, большинство электронных устройств, используемых в повседневной деятельности, основаны на транзисторах. От простого калькулятора до сложных систем сигнализации — этот крохотный электронный компонент внес большой вклад в развитие электроники и электронных коммуникаций.

Рассвет транзисторов

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые выполняют две основные функции в электронной схеме — усилитель и переключатель.До эры транзисторов электронные лампы преимущественно использовались в качестве усилителя или переключателя в первой половине двадцатого века. Однако требования к высокому рабочему напряжению, высокое энергопотребление и высокое тепловыделение привели к тому, что вакуумные лампы со временем стали неэффективными и ненадежными. Не говоря уже о том, что эти трубки громоздкие и хрупкие, потому что корпус сделан из стекла. Чтобы решить эту дилемму, разные производители провели годы исследований в поисках подходящей замены.

Наконец, в декабре 1947 года трое физиков из Bell Laboratories успешно изобрели первый рабочий транзистор. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли потратили годы исследований, чтобы наконец разработать рабочий транзистор с точечным контактом. В 1948 году Шокли усовершенствовал устройство, превратив его в транзистор с биполярным переходом, который широко использовался в 1950-х годах. Их изобретение было настолько важным, что Бардин, Браттейн и Шокли были удостоены известной Нобелевской премии в 1956 году.

Эволюция транзисторов

Как и любое другое устройство, транзисторы претерпели несколько нововведений. Еще в конце 1950-х годов германий сыграл решающую роль в разработке транзисторов. Однако у транзисторов на основе германия есть серьезные недостатки, связанные с утечкой тока и непереносимостью температур выше 75 ° C. Кроме того, германий редок и дорог. Это побудило исследователей Bell Labs искать лучшую альтернативу.

Гордон Тил громкое имя в эволюции транзисторов.Американский инженер из Bell Labs, Тил разработал метод производства чистых кристаллов германия, которые будут использоваться в транзисторах на основе германия. Точно так же Тил экспериментировал с кремнием в качестве возможной замены германия. В 1953 году он вернулся в Техас после того, как ему предложили должность директора по исследованиям в Texas Instruments (TI). ^[1] Используя свой опыт и знания в области полупроводниковых кристаллов, он продолжил работу над очищенным кремнием как заменой германия. В апреле 1954 года Тил и его команда в TI разработали первый кремниевый транзистор, о котором было объявлено миру в мае того же года.Из-за своих превосходных характеристик кремний постепенно вытеснил германий в качестве полупроводника, используемого для транзисторов.

С появлением кремниевых транзисторов исследователи Bell Labs достигли еще одного прорыва, разработав транзистор, который может превзойти по характеристикам транзистор с биполярным переходом. В 1959 году Мохамед Аталла и Давон Канг изобрели полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с более низким энергопотреблением и более высокой плотностью, чем биполярный транзистор.Эти ценные характеристики сделали МОП-транзистор, который с тех пор стал самым широко производимым устройством в истории. ^[2]

Преобразование компьютерных технологий

Изобретение транзисторов было революционным в миниатюризации компьютеров. Как и в более ранних электронных устройствах, в компьютерах первого поколения в качестве переключателей и усилителей использовались электронные лампы. После появления транзисторов производители также использовали небольшие устройства для создания более эффективных компьютеров меньшего размера.В последующие годы электронные лампы были полностью заменены транзисторами, что дало начало второму поколению транзисторных компьютеров.

Первым компьютером, который использовал транзисторы, был Манчестерский университет Transistor Computer . Транзисторный компьютер был построен в качестве прототипа, состоящего из 92-точечных транзисторов и 550 диодов, и начал полностью функционировать в 1953 году. В 1955 году была представлена ​​полноразмерная версия этого компьютера с 200-контактными транзисторами и 1300 диодами. .Хотя в большинстве схем использовались транзисторы, это устройство не считалось полностью транзисторным компьютером, поскольку в его тактовом генераторе все еще использовались электронные лампы. ^[3]

В середине 1950-х годов начали появляться похожие машины. Позже дизайн Манчестерского университета был принят компанией Metropolitan-Vickers, которая в 1956 году произвела семь машин, использующих биполярные переходные транзисторы. Однако устройство, получившее название Metrovick 950 , не было коммерчески доступно и использовалось только внутри компании.Точно так же Bell Labs представила устройство TRADIC в 1954 году, ^[4] , но, как и транзисторный компьютер, TRADIC использовал вакуумные лампы в качестве тактовой энергии.

Созданный для ВВС США в 1955 году, компьютер управления Burroughs Atlas Mod 1-J1 был первым компьютером, полностью отказавшим от электронных ламп, и эта модель была первым полностью транзисторным компьютером. В 1956 году Массачусетский технологический институт также разработал TX-0 , свой собственный транзисторный компьютер. Транзисторные компьютеры начали появляться и в других частях мира.Первым устройством, появившимся в Азии, стал японский ETL Mark III , выпущенный в 1956 году. DRTE , выпущенный в 1957 году, и австрийский Mailüfterl , выпущенный в 1958 году, были первыми транзисторными компьютерами в Канаде и Европе соответственно. В 1959 году Италия также выпустила свой первый транзисторный компьютер Olivetti Elea 9003 , который позже стал доступен на частном рынке. ^[5]

Хотя транзисторные компьютеры появились во всем мире в 1950-х годах, они не были коммерчески доступны до 1959 года, когда General Electric выпустила модель General Electric 210 .Следовательно, другие производители также представили свои собственные флагманские модели транзисторных компьютеров. IBM 7070 и RCA 501 были одними из первых выпущенных моделей. ^[6] Крупномасштабные компьютеры также следовали этой тенденции. Модели Philco Transac S-1000 и S-2000 были одними из первых коммерчески доступных крупномасштабных транзисторных компьютеров.

Эволюция конструкции транзисторов привела к серьезным изменениям в конструкции компьютеров.Производство компьютеров на транзисторах росло со временем, поскольку технология стала доступной на рынке. В конце концов, интегральные схемы были приняты в 1960-х, уступив место третьему поколению компьютеров.

Маленький размер, большие изменения

Транзисторы стали выдающимися с момента их изобретения более 70 лет назад. Эта технология подтолкнула изобретение и развитие многих других электронных устройств. Скромный размер транзистора не скрывает значимости его вклада в развитие технологий.Транзистор, несомненно, изменил облик электронных схем и привел к значительным изменениям в мире, особенно в компьютерных технологиях.

Источники:

[1] Майкл Риордан, «Утраченная история транзистора», 30 апреля 2004 г., https://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/the-lost-history-of-the-transistor Accessed 20 окт 2020
[2] Википедия. «History of the Transistor», N.d., https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_transistor, дата обращения 20 октября 2020 г.
[3] Википедия.«Transistor Computer», Nd, https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_computer, дата обращения 20 октября 2020 г.
[4] «The Transistor» Nd, http://www.historyofcomputercommunications.info/supporting-documents/a .5-the-transistor-1947.html Проверено 20 октября 2020 г.
[5] Википедия. «Transistor Computer», Nd, https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_computer, дата обращения 20 октября 2020 г.
[6] «The Transistor» Nd, http://www.historyofcomputercommunications.info/supporting-documents/a .5-the-transistor-1947.html По состоянию на 20 октября 2020 г.

Транзисторный компьютер | Компьютерная Вики

Транзисторный компьютер — это компьютер, в котором вместо электронных ламп используются дискретные транзисторы. Электронные компьютеры «первого поколения» использовали вакуумные лампы, которые выделяли большое количество тепла, были громоздкими и ненадежными. «Второе поколение» компьютеров, до конца 1950-х и 1960-х годов, представляло собой платы, заполненные отдельными транзисторами и сердечниками магнитной памяти (см. Историю вычислительного оборудования).Эти машины оставались основной разработкой до конца 1960-х годов, когда начали появляться интегральные схемы, которые привели к машинам «третьего поколения».

Первый транзисторный компьютер []

Экспериментальный транзисторный компьютер Манчестерского университета был впервые введен в эксплуатацию в ноябре 1953 года и считается первым транзисторным компьютером, введенным в эксплуатацию в любой точке мира. Существовало две версии транзисторного компьютера: прототип, работавший в 1953 году, и полноразмерный вариант, введенный в эксплуатацию в апреле 1955 года.В машине 1953 года было 92 точечных транзистора и 550 диодов производства STC. У него было 48-битное машинное слово. ^[1] Машина 1955 года имела в общей сложности 200 точечных транзисторов и 1300 точечных диодов, ^[1] , что привело к потребляемой мощности 150 Вт. Первые партии транзисторов имели серьезные проблемы с надежностью, и в 1955 году средний срок безошибочной работы составлял всего 1,5 часа. Компьютер также использовал небольшое количество ламп в своем тактовом генераторе, поэтому это была не первая полностью транзисторная машина . ^[2]

Конструкция полноразмерного транзисторного компьютера была впоследствии принята манчестерской фирмой Metropolitan-Vickers, которая заменила все схемы на более надежные типы переходных транзисторов. ^[1] Серийная версия была известна как Metrovick 950 и была построена с 1956 года в количестве шести ^[1] или семи машин ^[3] , которые «использовались в коммерческих целях внутри компании» ^{[3 ]} или «в основном для внутреннего использования». ^[1]

Прочие ранние машины []

В Японии ETL Mark III начал разрабатываться как транзисторный компьютер в 1954 году, ^[4] и был завершен в 1956 году.В Канаде компьютер DRTE был завершен в 1957 году. В Австрии проект Mailüfterl был завершен в мае 1958 года. ^[5] ETL Mark III и DRTE были первыми транзисторными компьютерами в Азии и континентальной Европе, соответственно.

Первый транзисторный компьютер с хранимой программой []

В Японии ETL Mark III начал разрабатываться как транзисторный компьютер в 1954 году, ^[4] и был завершен в 1956 году. Он был создан Электротехнической лабораторией, проектирование которой было завершено в марте 1956 года, после чего в апреле последовало производство и эксплуатация. начало июля. ^{[6] [5]} Это был первый транзисторный компьютер с хранимой программой, ^{[6] [7] [8]} , в котором использовалась память с ультразвуковой линией задержки. ^[6] Это был также первый транзисторный компьютер в Азии.

Преемник ETL Mark III, ETL Mark IV, начал разработку в 1956 году и был завершен в 1957 году. Он использовал высокоскоростную память на магнитных барабанах. ^{[9] [8]} Модифицированная версия, ETL Mark IV A, была представлена ​​в 1958 году как полностью транзисторный компьютер с памятью на магнитном сердечнике и индексным регистром. ^{[8] [10]}

Школы и любители []

Компьютеры первого поколения были в значительной степени недоступны для школ и любителей, которые хотели создавать свои собственные, в основном из-за стоимости большого количества необходимых электронных ламп (хотя проекты релейных компьютеров были реализованы ^[11] ) . Четвертое поколение (СБИС) также было в значительной степени недосягаемым, поскольку большая часть проектных работ проводилась внутри корпуса интегральной схемы (хотя и этот барьер позже был устранен ^[12] ).Итак, компьютерное проектирование второго и третьего поколения (транзисторы и SSI), пожалуй, лучше всего подходило для школ и любителей. ^[13]

См. Также []

• Список транзисторных компьютеров

Список литературы []

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2 1,3 1,4} Дэвид П. Андерсон, Том Килберн: пионер компьютерного дизайна , IEEE Annals of the History of Computing — Volume 31, Number 2, April– Июнь 2009 г., стр.84
2. ↑ Кук-Ярборо, Э. (Июнь 1998 г.). «Некоторые ранние применения транзисторов в Великобритании». Журнал инженерного и научного образования (Лондон, Великобритания: IEE) 7 (3): 100–106. Ошибка: указан неверный DOI. ISSN 0963-7346. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=00689507. Проверено 7 июня 2009.
3. ↑ ^{3,0 3,1} 1953 — Появление транзисторных компьютеров, Музей истории компьютеров
4. ↑ ^{4,0 4,1} Мартин Франсман (1993), Рынок и за его пределами: сотрудничество и конкуренция в информационных технологиях , стр. 19, Cambridge University Press
5. ↑ ^{5.0 5,1} Блэкман, Нельсон М. (июнь 1961 г.). «Состояние цифровых компьютерных технологий в Европе». Связь с ACM (ACM) 4 (6): 256–265. Ошибка: указан неверный DOI. http://portal.acm.org/citation.cfm?id=366573.366596. Проверено 7 июня 2009.
6. ↑ ^{6.0 6.1 6.2} Ранние компьютеры, Общество обработки информации Японии
7. ↑ 【Электротехническая лаборатория】 Транзисторный компьютер ETL Mark III, Общество обработки информации Японии
8. ↑ ^{8.0 8,1 8,2} Ранние компьютеры: краткая история, Общество обработки информации Японии
9. ↑ 【Электротехническая лаборатория】 Транзисторный компьютер ETL Mark IV, Общество обработки информации Японии
10. ↑ 【Электротехническая лаборатория】 ETL Mark IV A Transistor-Based Computer, Общество обработки информации Японии
11. ↑ А. Б. Болт (1966). Мы построили собственные компьютеры, Справочники по SMP, Великобритания; переиздан в 2010 году издательством Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания, ISBN 978-0-521-09378-1
12. ↑ С.Мид и Л. Конвей (1980). Введение в системы СБИС, Аддисон-Уэсли, Рединг, США, ISBN 0-201-04358-0
13. ↑ А. Уилкинсон (1968). Компьютерные модели, Эдвард Арнольд, Великобритания, SBN 7131 1515 X

Внешние ссылки []

1953: Появляются транзисторные компьютеры | Кремниевый двигатель

В 1950-х годах полупроводниковые приборы постепенно вытеснили электронные лампы в цифровых компьютерах.К 1960 году новые конструкции были полностью транзисторными. В апреле 1950 года Национальное бюро стандартов Восточного автоматического компьютера (SEAC) использовало 10 500 германиевых диодов и 747 электронных ламп.

Работая под руководством Тома Килберна в Манчестерском университете, Ричард Гримсдейл и Дуглас Уэбб продемонстрировали прототип транзисторного компьютера 16 ноября 1953 года. В 48-битной машине использовалось 92 точечных транзистора и 550 диодов, изготовленных STC, британским подразделением ITT. Усовершенствованная версия с 250 переходными транзисторами была завершена в 1955 году.Metropolitan Vickers Electrical Company произвела шесть единиц под названием Metrovick 950, которые они использовали на коммерческой основе внутри компании с 1956 года.

Жан Х. Фелкер возглавлял команду Bell Labs, в которую входил инженер Джеймс Р. Харрис, которая в 1954 году разработала и построила полностью транзисторный компьютер, получивший название TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer) для ВВС США. Включая около 700 точечных транзисторов и более 10 000 диодов. , прототип работал на частоте 1 МГц, потребляя при этом менее 100 Вт мощности.Более легкая бортовая версия (Flyable TRADIC), использующая переходные транзисторы, заменила аналоговый компьютер для навигации и управления бомбардировкой в ​​самолете C-131. Под руководством Уильяма Папиана в апреле 1956 года члены Группы перспективных разработок Массачусетского технологического института Lincoln Labs использовали быстрые германиевые переключающие транзисторы от Philco Corporation для создания универсального цифрового компьютера с частотой 5 МГц, известного как TX-0 (Transistor Experimental). Также в 1956 году под руководством Хироши Вада в Электротехнической лаборатории в Токио был построен первый в Японии транзисторный компьютер ETL Mark III, в котором использовалось 130 точечных транзисторов и 1800 диодов.

• Фелкер, Джин Х. «Регенеративный транзисторный усилитель», Патент США № 2670445 (подана 6 ноября 1951 г., выдана 23 февраля 1954 г.).
• Фелкер, Дж. Х. «Регенеративный усилитель для приложений цифровых компьютеров», Труды Института радиоинженеров, (ноябрь 1952 г.), стр. 1584-1596.
• Харрис, Дж.R. «Транзисторный регистр сдвига и последовательный сумматор», Труды Института радиотехники (ноябрь 1952 г.), стр. 1597-1602.
• Килберн Т., Р. Л. Гримсдейл и Д. К. Уэбб. «Транзисторный цифровой компьютер с магазином на магнитных барабанах», Протоколы IEEE Convention on Digital Computer Techniques Vol. 103, часть B (1956).
• Харрис, Дж. Р. «TRADIC: Первая фаза», Bell Laboratories Record (сентябрь 1958 г.), стр. 330-334.
• RCA 501 Электронная система обработки данных .Рекламная брошюра, RCA Corporation. (1958).
• Philco TRANSAC S-2000: Самая быстрая в мире система обработки данных на транзисторах . Рекламная брошюра, Philco Corporation. (1958).

• Маккензи, Джон А. «История компьютеров TX-O», Технический отчет RLE № 627 Массачусетский технологический институт (1 октября 1974 г.).
• Такахаси, Сигеру. «Ранние транзисторные компьютеры в Японии», Annals of the History of Computing Vol.8, No. 2 (апрель 1986), стр. 144–153.
• Enticknap, изд. Николая. «Ранние компьютеры в Манчестерском университете: транзисторные компьютеры», ВОСКРЕСЕНИЕ компьютеров: Бюллетень Общества сохранения компьютеров Vol. 1, № 4 (лето 1992 г.).
• Лог, Джозеф К. «От вакуумных трубок до очень крупномасштабной интеграции: личные воспоминания», IEEE Annals of the History of Computing , Vol. 20, No. 3, (1998) p. 61.
• Харрис, Джеймс Р. «Первые твердотельные цифровые компьютеры», Annals of the History of Computing , Vol.21, No. 4 (октябрь-декабрь 1999), с. 49-54.
• Браун, Луи К. «Flyable TRADIC: первый бортовой транзисторный цифровой компьютер», Annals of the History of Computing , Vol. 21, № 4 (октябрь-декабрь 1999 г.), стр. 55-61.

От ламп до транзисторов — История компьютера 101: Разработка ПК

От ламп к транзисторам

От UNIVAC до новейших настольных ПК эволюция компьютеров продвигалась очень быстро.Компьютеры первого поколения были известны тем, что в их конструкции использовались электронные лампы. В следующем поколении будет использоваться транзистор гораздо меньшего размера и более эффективный.

From Tubes …

Любой современный цифровой компьютер в значительной степени представляет собой набор электронных переключателей. Эти переключатели используются для представления и управления маршрутизацией элементов данных, называемых двоичными цифрами (или битами) . Из-за включения или выключения двоичной информации и маршрутизации сигналов, используемых компьютером, требовался эффективный электронный переключатель.Первые электронные компьютеры использовали вакуумные лампы в качестве переключателей, и хотя лампы работали, у них было много проблем.

Три основных компонента базовой триодной вакуумной лампы.

Тип лампы, который использовался в ранних компьютерах, назывался триодом и был изобретен Ли Де Форестом в 1906 году. Он состоит из катода и пластины, разделенных управляющей сеткой, подвешенных в стеклянной вакуумной трубке. Катод нагревается докрасна электрической нитью накала, которая заставляет его испускать электроны, которые притягиваются к пластине.Управляющая сетка в центре может управлять этим потоком электронов. Делая его отрицательным, вы заставляете электроны отталкиваться обратно к катоду; делая его положительным, вы заставляете их привлекаться к тарелке. Таким образом, управляя током сети, вы можете управлять включением / выключением выхода пластины.

К сожалению, в качестве переключателя трубка оказалась неэффективной. Он потреблял много электроэнергии и выделял огромное количество тепла — серьезная проблема в более ранних системах. В первую очередь из-за выделяемого тепла трубки были заведомо ненадежны — в более крупных системах одна выходила из строя каждые пару часов или около того.

… К транзисторам

Изобретение транзистора было одним из важнейших событий, приведших к революции персональных компьютеров. Транзистор был изобретен в 1947 году и анонсирован в 1948 году инженерами Bell Laboratory Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. Сотрудник Bell Уильям Шокли изобрел переходной транзистор несколько месяцев спустя, и все трое совместно разделили Нобелевскую премию по физике в 1956 году за изобретение транзистора. Транзистор, который по сути функционирует как твердотельный электронный переключатель, заменил менее подходящую вакуумную лампу.Поскольку транзистор был намного меньше и потреблял значительно меньше энергии, компьютерная система, построенная на транзисторах, также была намного меньше, быстрее и эффективнее, чем компьютерная система, построенная на электронных лампах.

Переход с ламп на транзисторы положил начало тенденции к миниатюризации, которая продолжается и по сей день. Сегодняшние небольшие портативные ПК (или нетбук, если хотите) и даже системы планшетных ПК, которые работают от батарей, обладают большей вычислительной мощностью, чем многие предыдущие системы, которые заполняли комнаты и потребляли огромное количество электроэнергии.

Несмотря на то, что за прошедшие годы было разработано множество конструкций транзисторов, в современных компьютерах обычно используются полевые транзисторы (MOSFET) Metal Oxide Semiconductor. МОП-транзисторы изготовлены из слоев материалов, нанесенных на кремниевую подложку. Некоторые из слоев содержат кремний с определенными примесями, добавленными в результате процесса, называемого легированием или ионной бомбардировкой, тогда как другие слои включают диоксид кремния (который действует как изолятор), поликремний (который действует как электрод) и металл, выступающий в качестве проводов для подключите транзистор к другим компонентам.Состав и расположение различных типов легированного кремния позволяют им действовать как проводником, так и изолятором, поэтому кремний называется полупроводником.

МОП-транзисторы могут быть сконструированы как типа NMOS или PMOS , в зависимости от расположения используемого легированного кремния. Кремний, легированный бором, называется P-типом (положительным), потому что в нем отсутствуют электроны, тогда как кремний, легированный фосфором, называется N-типом (отрицательным), потому что он имеет избыток свободных электронов.

МОП-транзисторы имеют три соединения: исток, затвор и сток. Транзистор NMOS сделан с использованием кремния N-типа для истока и стока, с кремнием P-типа, помещенным между ними. Затвор расположен над кремнием P-типа, разделяя исток и сток, и отделен от кремния P-типа изолирующим слоем диоксида кремния. Обычно между кремнием N-типа и P-типа нет тока, что предотвращает прохождение электронов между истоком и стоком.Когда на затвор подается положительное напряжение, электрод затвора создает поле, которое притягивает электроны к кремнию P-типа между истоком и стоком. Это, в свою очередь, изменяет поведение этой области, как если бы это был кремний N-типа, создавая путь для прохождения тока и включая транзистор.

NMOS-транзистор в разрезе.

Транзистор PMOS работает аналогичным, но противоположным образом. Кремний P-типа используется для истока и стока, а кремний N-типа расположен между ними.Когда на затвор подается отрицательное напряжение, электрод затвора создает поле, которое отталкивает электроны от кремния N-типа между истоком и стоком. Это, в свою очередь, изменяет поведение этой области, как если бы это был кремний P-типа, создавая путь для прохождения тока и включая транзистор.

Когда полевые транзисторы NMOS и PMOS объединены в комплементарную схему, питание используется только тогда, когда транзисторы переключаются, что делает возможным создание плотных схем с низким энергопотреблением.По этой причине практически все современные процессоры разработаны с использованием технологии CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

По сравнению с лампой, транзистор намного эффективнее переключателя и может быть уменьшен до микроскопических размеров. С момента изобретения транзистора инженеры стремились делать его все меньше и меньше. В 2003 году исследователи NEC представили кремниевый транзистор размером всего 5 нанометров (миллиардных долей метра). Другие технологии, такие как Graphene и углеродных нанотрубок , исследуются для производства транзисторов еще меньшего размера, вплоть до молекулярного или даже атомного масштаба.В 2008 году британские исследователи представили транзистор на основе графена толщиной всего 1 атом и шириной 10 атомов (1 нм), а в 2010 году исследователи IBM создали графеновые транзисторы, переключающиеся со скоростью 100 гигагерц, тем самым проложив путь для будущих чипов, более плотных и плотных. быстрее, чем это возможно с конструкциями на основе кремния.

Интегральные схемы: новое поколение

Третье поколение современных компьютеров известно тем, что в них используются интегральные схемы и вместо отдельных транзисторов.Джеку Килби из Texas Instruments и Роберту Нойсу из Fairchild приписывают изобретение интегральной схемы (ИС) в 1958 и 1959 годах. ИС представляет собой полупроводниковую схему , которая содержит более одного компонента на одной базе (или материал подложки) , которые обычно соединяются между собой без проводов. Первый прототип ИС, созданный Килби в TI в 1958 году, содержал только один транзистор, несколько резисторов и конденсатор на единой германиевой пластине, а также имел тонкие золотые «летящие провода» для их соединения.Однако из-за того, что подвесные тросы приходилось прикреплять по отдельности, такая конструкция была непрактичной в изготовлении. Для сравнения, Нойс запатентовал «планарную» конструкцию ИС в 1959 году, когда все компоненты рассеиваются или вытравлены на кремниевой основе, включая слой межсоединений из металлического алюминия. В 1960 году Fairchild сконструировал первую планарную микросхему IC , состоящую из триггерной схемы с четырьмя транзисторами и пятью резисторами на круглой матрице размером всего около 20 мм ² .Для сравнения: четырехъядерный процессор Intel Core i7 включает 731 миллион транзисторов (и множество других компонентов) на одном кристалле размером 263 мм ² !

Что такое транзистор и какое влияние его изобретение оказало на компьютеры?

… Hemera Technologies / PhotoObjects.net / Getty Images

Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, сделанный из полупроводникового материала, такого как кремний. До появления транзисторов единственным способом управления током в электронной схеме было использование больших энергоемких электронных ламп, что ограничивало размер и мощность компьютеров, которые можно было построить.Изобретение транзисторов произвело революцию в компьютерном дизайне: современный микропроцессор обычно содержит сотни миллионов транзисторов на одном кремниевом кристалле.

1 Изобретение транзистора

Транзистор был изобретен в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Laboratories в Нью-Джерси. Изобретение стало кульминацией длительных усилий по разработке жизнеспособной альтернативы вакуумной лампе с использованием полупроводниковой технологии.Он принес Бардину, Браттейну и Шокли Нобелевскую премию по физике в 1956 году. По сравнению с электронными лампами транзисторы имеют множество преимуществ: они меньше и менее хрупкие, для работы им требуется меньше энергии и они могут работать при более низких напряжениях.

2 Как работает транзистор

Если электрический ток проходит между двумя из трех выводов транзистора, величиной этого тока можно управлять с помощью напряжения, приложенного к третьему выводу. Он имеет два основных применения — либо в качестве переключателя, либо в качестве усилителя.Первое широкое применение транзистора было в качестве усилителя в портативных радиоприемниках. Однако в компьютерах он используется скорее как переключатель, чем как усилитель. Компьютеры, использующие вакуумные лампы в качестве переключателей, были ограничены размерами до нескольких тысяч таких устройств. С изобретением транзистора ситуация резко изменилась.

3 Влияние на компьютеры

Транзисторные компьютеры были не только меньше своих предшественников на электронных лампах, но и более мощными, поскольку внутри можно было разместить больше компонентов.Транзисторизация также сделала компьютеры быстрее, потому что более компактные размеры означали, что электрические сигналы не должны распространяться так далеко. Шло время, и количество транзисторов, которые можно было изготовить на одном кремниевом кристалле, увеличивалось. Этот эффект был количественно определен в 1960-х годах Гордоном Муром в математической зависимости, известной как закон Мура.

4 транзистора в эпоху цифровых технологий

Транзисторы стали одним из основных строительных блоков современной технологической жизни.Являясь важным коммутационным устройством во всех типах микропроцессоров, они используются в смартфонах, цифровых камерах, электронных играх и системах спутниковой навигации, а также в настольных и портативных компьютерах. Обычно современный микропроцессор содержит сотни миллионов транзисторов, хотя в самых передовых конструкциях количество транзисторов превышает 2 миллиарда.

Компьютерное оборудование

Компьютерное оборудование

• Компьютеры состоят из двух основных частей: аппаратного и программного обеспечения
• Как пианино (аппаратное обеспечение) и музыка (программное обеспечение)
• В этом разделе: фурнитура

Компьютер — удивительно полезная технология общего назначения, так что теперь камеры, телефоны, термостаты и многое другое превратились в маленькие компьютеры.В этом разделе представлены основные части и темы работы компьютерного оборудования. «Аппаратное обеспечение» относится к физическим частям компьютера, а «программное обеспечение» относится к коду, который выполняется на компьютере.

Микросхемы и транзисторы

• Транзистор — жизненно важный электронный строительный блок
  -Транзисторы «твердотельные» — движущихся частей нет.
  -Одно из самых важных изобретений в истории
  — «Выключатель», который мы можем включать / выключать электрическим сигналом
• Кремниевый чип — кусок кремния размером с ноготь
• Микроскопические транзисторы вытравлены на кремниевых микросхемах
• Чипы могут содержать миллиарды транзисторов
• Чипы упакованы в пластик, на маленьких металлических ножках
• эл.грамм. Микросхемы ЦП, микросхемы памяти, микросхемы флэш-памяти
• Кремний (металлоид) против силикона (мягкое вещество на кухонной посуде)

Вот силиконовый чип внутри пластикового корпуса. Я вытащил это из кучи электронных отходов в здании Stanford CS, так что он, вероятно, немного старый. Это небольшая микросхема с несколькими «контактами» для электрического подключения. Позже мы увидим более крупный чип с сотнями контактов.

Внутри пластикового корпуса находится силиконовый чип размером с ноготь, на поверхности которого выгравированы транзисторы и другие компоненты.Крошечные провода подключают микросхему к внешней стороне. (Авторство под лицензией CC sharealke 3. пользователь Википедии Зефирис)

В современных компьютерах используются крошечные электронные компоненты, которые можно выгравировать на поверхности кремниевого чипа. (См .: чип википедии) Обратите внимание, что силикон (чипы, солнечные панели) и силикон (мягкий резиновый материал) отличаются!

Самым распространенным электронным компонентом является «транзистор», который работает как своего рода усилительный клапан для потока электронов.Транзистор является «твердотельным» устройством, что означает, что у него нет движущихся частей. Это основной строительный блок, используемый для создания более сложных электронных компонентов. В частности, «бит» (ниже) может быть построен с расположением 5 транзисторов. Транзистор был изобретен в начале 1950-х годов на замену электронной лампе. С тех пор транзисторы становились все меньше и меньше, что позволяло наносить все больше и больше из них на кремниевый чип.

Закон Мура

• Транзисторы становятся в 2 раза меньше примерно каждые 2 года
  — иногда указывается около 18 месяцев
• Может вместить в два раза больше транзисторов на чип
• Благодаря улучшенной технологии травления стружки
  -Но фабрика по производству новейших микросхем стоит более 1 миллиарда долларов.
• Наблюдение vs.научный «закон»
• 2 эффекта:
• а. чипы имеют удвоенную емкость каждые 2 года
  — скорость не удваивается, емкость удваивается, что по-прежнему очень полезно
• г. или поддерживая постоянную емкость, микросхемы становятся меньше и дешевле каждые 2 года
• (б) почему компьютеры сейчас в машинах, термостаты, поздравительные открытки
• Пример: емкость MP3-плеера за 50 долларов каждые 2 года: 2 ГБ, 4 ГБ, 8 ГБ, 16 ГБ
• Практическое правило: 8-кратная производительность каждые 6 лет
• 8x за 6 лет могут соответствовать увеличению емкости вашего телефона
• Закон Мура, вероятно, не будет действовать вечно

Закон Мура (Гордон Мур, соучредитель Intel) гласит, что плотность транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 2 года (иногда указывается каждые 18 месяцев).Увеличение связано с улучшенной технологией изготовления стружки. Это не научный закон, это просто общее предсказание, которое, кажется, продолжает работать. В более широком смысле, он отражает идею о том, что за доллар компьютерные технологии (а не только транзисторы) со временем становятся экспоненциально лучше. Это совершенно очевидно, если вы посмотрите на стоимость или возможности компьютеров / фотоаппаратов и т. Д., Которыми вы владеете. Закон Мура приводит к появлению более мощных компьютеров (сравните, что может делать iPhone 7 и оригинальный iPhone), а также к более дешевым компьютерам (менее производительные компьютеры появляются повсюду, например, в термостатах и ​​автомобилях).

Компьютеры в жизни: Системы управления

• Система управления: реагирует на внешнее состояние
• например двигатель автомобиля: варьируйте топливную смесь в зависимости от температуры
• например приведение в действие подушки безопасности при высоких перегрузках при столкновении
• Микросхемы — отличный и дешевый способ построения систем управления
• Доскомпьютерные системы управления работали не так хорошо
• Одна из причин, по которой сегодня автомобили работают намного лучше

Система управления / Демонстрация фонарика Мура

• В фонарике Maglite XL200 есть микросхема
• Пример системы управления
• Закон Мура делает возможным такое применение микросхемы
• Фонарик преобразует угловое положение в яркость.(1 щелчок)
• Также имеет угол в мигающем режиме. (2 клика)

---

Компьютерное оборудование — ЦП, ОЗУ и постоянное хранилище

Теперь давайте поговорим о трех основных частях, из которых состоит компьютер: CPU , RAM и Persistent Storage . Эти три присутствуют на всех компьютерах: ноутбуках, смартфонах и планшетах.

1. ЦП

• CPU — Центральный процессор
• Действует как мозг: следует инструкциям в коде
• «общие» — изображения, нетворкинг, математика.. все на CPU
• Выполняет вычисления, например сложить два числа
• по сравнению с ОЗУ и постоянным хранилищем, которые просто хранят данные
• «гигагерц» = 1 миллиард операций в секунду.
• ЦП «2 гигагерца» выполняет 2 миллиарда операций в секунду

ЦП — центральный процессор, который неизбежно называют «мозгом» компьютеров. ЦП выполняет активный «запуск» кода, манипулируя данными, в то время как другие компоненты выполняют более пассивную роль, такую ​​как хранение данных.Когда мы говорим, что компьютер может «складывать два числа миллиард раз в секунду» … это процессор. Когда вы нажимаете кнопку «Выполнить», ЦП в конечном итоге «запускает» ваш код. Позже мы завершим картину того, как ваш код Javascript запускается процессором.

В стороне: CPU «Ядра»

• Современные микросхемы ЦП имеют несколько «ядер»
• Каждое ядро ​​является полунезависимым процессором
• Ключ: наличие 4 ядер не в 4 раза быстрее, чем наличие 1 ядра
• т.е. 4 машины не доставят вас быстрее, чем 1 машина
• Убывающая отдача
• Больше 4 ядер часто бесполезно

Примеры ЦП

• e.грамм. Кнопка «Выполнить» — «распечатать информацию», посчитайте
• например Отправить текстовое сообщение — отформатируйте байты, отправьте байты, убедитесь, что они были отправлены

Вариант ЦП: GPU — Графический процессор

• Как ЦП, но специализирован для обработки изображений
• Компьютерные игры сильно используют графический процессор
• Современные процессоры в основном достаточно быстрые, больше энергии уходит на графические процессоры

2. RAM

• RAM — Оперативная память
• Действует как белая доска
• Байт временного рабочего хранилища
• RAM хранит код и данные (временно)
• эл.грамм. открыть изображение в фотошопе
  — данные изображения загружены в байты ОЗУ
• например добавление 2 к числу в калькуляторе
  — манипулирование байтами в ОЗУ
• «стойкий»
  -RAM не является постоянным. Состояние пропало при отключении питания
  -например. Вы работаете над документом, затем отключается питание, и вы теряете свою работу (вместо «Сохранить»)

RAM — Оперативная память, или просто «память». ОЗУ — это рабочая оперативная память, которую компьютер использует для хранения кода и данных, которые активно используются.ОЗУ — это фактически область хранения байтов, находящаяся под управлением ЦП. ОЗУ относительно быстро и способно получить значение любого конкретного байта за несколько наносекунд (1 наносекунда составляет 1 миллиардную долю секунды). Другая главная особенность ОЗУ заключается в том, что она сохраняет свое состояние только до тех пор, пока на нее подается питание — ОЗУ не является «постоянным» хранилищем.

Предположим, вы работаете на своем компьютере, и он внезапно теряет питание и экран гаснет. Вы понимаете, что то, над чем вы работали, ушло.Оперативная память была очищена, осталось только то, что вы в последний раз сохраняли на диск (ниже).

Примеры RAM

• В вашем браузере открыто много вкладок
  — данные для каждой вкладки находятся в ОЗУ
• Программа запущена
  — код программы находится в ОЗУ
• Программа манипулирует большим изображением
  — данные изображения находятся в ОЗУ
• например у вас может закончиться ОЗУ — вы не можете открыть новую вкладку или программу, потому что вся ОЗУ занята
• В сторону: теперь в телефонах 2-4гб оперативной памяти… достаточно для большинства целей

3. Постоянное хранилище: жесткий диск, флэш-накопитель

• Постоянное хранение байтов
• «Постоянный» означает сохраняемый, даже если не включен
• например Жесткий диск — хранит байты в виде магнитного узора на вращающемся диске.
  — он же «жесткий диск»
  — Высокий звук вращения, который вы, возможно, слышали
• Жесткие диски долгое время были основной технологией постоянного хранения
• НО сейчас все популярнее становится вспышка.

Как работает жесткий диск Видео (Webm — это открытый стандартный видеоформат, работает в Firefox и Chrome). 4:30 в видео, чтобы увидеть чтение / запись битов.

Постоянное хранилище, новая технология: Flash

• «Flash» — это транзисторная технология постоянного хранения.
  «твердотельный» — без движущихся частей
  -ака «Флешка»
  -ака «Флэш-память»
  -aka «SSD»: твердотельный диск
• Флэш-память лучше , чем жесткий диск во всех отношениях, но по цене — быстрее, надежнее, меньше энергии
• Flash дороже за байт
• Форматы: USB-ключ, SD-карта в камере, флэш-память, встроенная в телефон, планшет или компьютер
• Флэш-память была очень дорогой, поэтому в большинстве компьютеров использовались жесткие диски
• Flash дешевеет (закон Мура)
• Однако побайтовые жесткие диски по-прежнему значительно дешевле
• Не путать с «Adobe Flash», проприетарным медиаформатом.
• Предупреждение: вспышка не сохраняется вечно.Он может не хранить биты за последние 10 или 20 лет. Никто не знает наверняка

Постоянное хранилище — долгосрочное хранилище байтов в виде файлов и папок. Постоянный означает, что байты сохраняются даже при отключении питания. Ноутбук может использовать вращающийся жесткий диск (также известный как «жесткий диск») для постоянного хранения файлов. Или он может использовать «флеш-накопитель», также известный как твердотельный диск (SSD), для хранения байтов на флеш-чипах. Жесткий диск считывает и записывает магнитные узоры на вращающийся металлический диск для хранения байтов, в то время как флеш-память является «твердотельной»: никаких движущихся частей, только кремниевые чипы с крошечными группами электронов для хранения байтов.В любом случае хранилище является постоянным в том смысле, что оно сохраняет свое состояние даже при отключении питания.

Флэш-накопитель быстрее и потребляет меньше энергии, чем жесткий диск. Однако из расчета на один байт флэш-память значительно дороже, чем хранилище на жестком диске. Flash становится все дешевле, поэтому он может занять ниши за счет жестких дисков. Флэш-память намного медленнее ОЗУ, поэтому она не является хорошей заменой ОЗУ. Обратите внимание, что Adobe Flash — это не связанное с этим понятие; это проприетарный медиаформат.

Флэш-память — это то, что лежит в основе USB-накопителей, SD-карт для использования в камерах или встроенного хранилища в планшете или телефоне.

Файловая система

• Как организованы байты в постоянном хранилище?
• например Байт на флешке?
• «Файловая система» — упорядочить байты постоянного хранилища, файлов и папок.
• «Файл» — имя, дескриптор блока байтов
• например «flowers.jpg» — это 48 КБ байтов данных изображения.

Жесткий диск или флэш-накопитель обеспечивает постоянное хранение в виде плоской области байтов без особой структуры.Обычно жесткий диск или флэш-диск отформатирован с использованием «файловой системы», которая упорядочивает байты по знакомому шаблону файлов и каталогов, где каждый файл и каталог имеет несколько полезное имя, например «resume.txt». Когда вы подключаете диск к компьютеру, компьютер представляет пользователю файловую систему диска, позволяя им открывать файлы, перемещать файлы и т. Д.

По сути, каждый файл в файловой системе относится к блоку байтов, поэтому имя «flowers.jpg» относится к блоку байтов размером 48 КБ, который является данными этого изображения.Фактически файловая система дает пользователю имя (и, возможно, значок) для блока байтов данных и позволяет пользователю выполнять операции с этими данными, например перемещать их, копировать или открывать с помощью программы. Файловая система также отслеживает информацию о байтах: сколько их, время последнего изменения.

Microsoft использует собственную файловую систему NTFS, а Mac OS X имеет собственный эквивалент HFS + от Apple. Многие устройства (камеры, MP3-плееры) используют на своих флеш-картах очень старую файловую систему Microsoft FAT32.FAT32 — старая и примитивная файловая система, но она хороша там, где важна широкая поддержка.

Примеры постоянного хранения

• Это легко понять, поскольку вы использовали файлы и файловые системы
• например 100 отдельных видеофайлов размером 1 ГБ .. требуется 100 ГБ дискового пространства.

Фотографии оборудования

Ниже приведены изображения недорогого компьютера Shuttle с процессором 1,8 ГГц, 512 МБ ОЗУ и жестким диском на 160 ГБ. Примерно в 2008 году он стоил около 200 долларов.Он сломался и стал классным примером.

Вот плоская «материнская плата», немного меньше листа бумаги 8,5 x 11, к которой подключаются различные компоненты. В центре — центральный процессор. Справа находится оперативная память. Справа от процессора находится пара микросхем поддержки. В частности, одна из микросхем покрыта медным «радиатором», который плотно прижимается к микросхеме, рассеивая тепло от микросхемы в окружающий воздух. У ЦП также был очень большой радиатор, но он был удален, чтобы центральный процессор был виден.

• Материнская плата
• Металлический корпус процессора, удерживается рычагом
• Медный радиатор

Процессор плотно прижимается к материнской плате с помощью небольшого рычажного механизма. Здесь механизм освобождается, и можно поднять ЦП. ЦП размером с ноготь упакован под эту металлическую крышку, которая помогает отводить тепло от ЦП к его радиатору. Серый материал на металлической крышке микросхемы представляет собой «термопасту», материал, который помогает отводить тепло от корпуса микросхемы к ее (не показан) радиатору.

• Микросхема процессора в металлическом корпусе
• Радиатор удален.
• Нижняя часть упаковки .. много соединений (маленькие провода)

Перевернув ЦП, можно увидеть маленькие золотые полоски на нижней части ЦП. Каждая площадка соединена очень тонкой проволокой с точкой на кремниевом кристалле.

Вот фотография другого чипа, но со снятой верхней упаковкой. Вы видите кремниевый чип в виде мизинца в центре с выгравированными на нем крошечными деталями транзистора.На краю микросхемы можно увидеть очень тонкие провода, соединяющие части микросхемы с внешними контактными площадками (авторство под лицензией CC sharealke 3. пользователь Википедии Зефирис)

Теперь, если посмотреть сбоку, более отчетливо видны радиатор и карта памяти RAM, торчащая из материнской платы.

• Карта памяти RAM
• Разъемы к материнской плате
• Карта 512 МБ (4 микросхемы)

Оперативная память состоит из нескольких микросхем, собранных вместе на небольшой карте, известной как DIMM, которая подключается к материнской плате (модуль памяти с двумя встроенными линиями).Здесь мы видим, что RAM DIMM извлечен из разъема на материнской плате. Это модуль DIMM емкостью 512 МБ, состоящий из 4 микросхем. Несколькими годами ранее этот модуль DIMM мог потребовать 8 микросхем для хранения 512 МБ .. Закон Мура в действии.

Это жесткий диск, который подключается к материнской плате с помощью видимого стандартного разъема SATA. Это диск емкостью 160 ГБ, 3,5 дюйма, что соответствует диаметру вращающегося диска внутри; весь диск размером с небольшую книгу в мягкой обложке. Это стандартный размер диска для использования внутри настольного компьютера.В портативных компьютерах используются 2,5-дюймовые диски, которые немного меньше.

• Жесткий диск 160 ГБ (постоянное хранилище)
• т.е. стойкий
• Подключается к материнской плате стандартным кабелем SATA

Это USB-накопитель, который, как и жесткий диск, обеспечивает постоянное хранение байтов. Это также известно как «флэш-накопитель» или «USB-ключ». По сути, это разъем USB, подключенный к микросхеме флэш-памяти с некоторой вспомогательной электроникой:

• Флэш-накопитель (другой тип постоянного хранилища)
• i.е. настойчивый
• Содержит флеш-чип, твердотельный
• SD-карта, аналогичная идея

Здесь он разобран, показывая микросхему флэш-памяти, которая фактически хранит байты. Этот чип может хранить около 1 миллиарда бит .. сколько это байтов? (A: 8 бит на байт, это примерно 125 МБ)

Вот «SD-карта», которая обеспечивает хранение в камере.