Что такое микросхемы и какая их главная задача
Википедия гласит, что микросхема — это материальное воплощение электрической схемы, которое выполняет определенную функцию. Эта формулировка также подходит к чипам — маленьких плоских кусочков, на поверхности которых, собственно происходит весь процесс.
Микросхемы обрабатывают информацию, которая выражена двоичным кодом (бинарным кодом) единицами и нулями. Они работают на основе транзисторов — радиоэлектронных полупроводниковых элементов, которые управляют входным током. В одной микросхеме помещается до миллиарда транзисторов, что дает нам огромные вычислительные мощности. Сегодня, на микросхемах построены современные компьютеры, смартфоны и вся умная электроника.
Как работает микросхема
Так как микросхемы является основой всех гаджетов, что нас окружают, следовательно, технология достаточно массовая. В ее основе лежит специальный материал — монокристаллический кремний, на нем и формируется инженерами микросхемы с электронных элементов: конденсаторов, резисторов и транзисторов.
во избежании неприятностей, микросхемам нужен диэлектрик, который служит для изоляции транзисторов друг от друга и металлические проводники для соединения. Иными словами говоря, транзистор превращает входной ток и передает информацию в виде 01001 110 000111 010101… и тому подобное.
Как изготовляют монокристаллический кремний
В современных микросхемах на одном кристалле кремния расположены миллиарда транзисторов, поэтому их размещением занимается компьютер, а не человек.
Кристаллы для микросхем выращивают специальным способом, к сплаву кремния кладут небольшой кусочек самого кремния, и медленно его вращают, пока не начнет застывать. Из этого следует цилиндр монокристаллического кремния, который нарезают на несколько пластин. К кремнию добавляют атомы различных элементов, формируя ключевой элемент транзистора — p-n-переход. Пленка из оксида кремния изолирует транзисторы, а металлические развязки соединяют их между собой.
Быстрая и правильная обработка информации – главная задача микросхем
Выше говорилось, что микросхемы выполняют вычислительные функции. Они обрабатывают двоичный код, трансформируя его в электрический сигнал и наоборот. С микросхем созданы различные устройства — от датчиков движения к средствам машинного зрения и разумных бытовых приборов.
Что такое закон Мура?
Основатель корпорации Intel Гордон Мур вычислил, что количество транзисторов на монокристалле удваивается каждые два года. Это происходит благодаря уменьшению самих транзисторов, однако у этого процесса есть предел, который рано или поздно придется пересечь, что есть проблемой, так как неизвестно как это сделать.
Производство центральных процессоров, внутри наших устройств, имеет ограничения. Дело в том, что общая вычислительная мощность возрастает, если распределять задачи между ядрами процессора. Логичное решение — создание многоядерных процессоров — позволило сделать рывок в микроэлектронике 10 лет назад, когда Intel представила двухъядерный процессор Core Duo.
Впрочем, этот же закон вводит ограничения на рост производительности от этой многоядерности.
Угрозу видят в том, что на фоне стремительного роста технологий микросхем предыдущие технологии будут слишком быстро и «искусственно-принудительно» устаревать. Через токсичные материалы, которые используют в производстве современных компьютеров, чрезмерный моральный износ без разумного регулирования имеет вредное воздействие на окружающую среду и может привести к катастрофе.
Мировая микроэлектроника, следуя закону Мура, до сих пор всегда опровергала опасения инженеров, что вот-вот упремся в непреодолимые физические ограничения, после которых отрасль или застрянет навсегда, или должна будет перейти на принципиально новые материалы и технологии.
Что такое полупроводник, транзистор, микросхема? И что такое кризис полупроводников? Разбираемся.
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Приветствую вас на канале Next 3D Print. Думаю, в последнее время все слышали про полупроводники, и их дефицит. Я предлагаю разобраться что они из себя представляют, окунуться в историю, и как обстоят дела на самом деле. Так что предлагаю вам налить чаю, кофе или на ваш выбор напитка, устроиться с комфортом и начать.
Если вам проще усваивать материал на слух то можете посмотреть видео:
А для любителей текста сама статья:
Что является собой полупроводник?
Для начала надо определиться с понятиями, а для этого придется немного окунуться в физику. Но не бойтесь мои хорошие грузить формулами и схемами я вас не буду, это больше вводный курс в основы.
Полупроводник представляет собой материал с особыми электропроводными свойствами. Именно благодаря этим свойствам можно получить диод, а за ним и транзистор. На транзисторах у нас сейчас работает вся электроника. Важно отметить, что электроника и электрика — это разные вещи. То есть простой масляный обогреватель — это электрический прибор, а не электронный, а вот если ему добавить блок управления, в котором будут транзисторы или микросхемы то он станет электронным прибором. То есть мы можем сделать такой вывод – что все приборы, где есть транзисторы или микросхемы то это электроника, если этого нет, то это электрические приборы.
И думаю в этот момент меня поймут гитаристы, ведь электрогитара — это электрическая гитара, конечно сейчас есть и всякие интеллектуальные гитары, но это уже другое. Так что-то я немного отвлекся, вернемся к полупроводникам.
Диод, транзистор, микросхема.
Так вот сам по себе полупроводник, как мы говорили, это просто материал. А вот чтобы он выполнял поставленные задачи нужно создать P-N переход. Так стоп не надо пугаться сейчас всё объясню на пальцах. Абы какой кремний нам не подойдет нам нужен чистейший а именно чистота материала должна составлять 99 и еще семь девяток после запятой, монокристалл кремния, моно означает что он имеет непрерывную кристаллическую решётку.
Затем этот кристалл нарезаем на тонкие пластины. Чтобы проще представить монокристалл кремния — это палка колбасы, а пластины это тот кусок колбасы, который вы кладете на хлеб.
А вот теперь берём эту кремниевую пластину и атомами фосфора или мышьяка проводим бомбардировку. По итогу мы получим уже полупроводник n-типа в котором электронов будет больше, это такие заряженные ребята в кремнии, а то что их больше означает что некоторые из них свободны. Кстати говоря, такая бомбардировка называется легирование полупроводников.
А вот если мы пластину насытим атомами бора то уже получается полупроводник p-типа. Это уже обратный тип полупроводника, то есть вместо электронов — их отсутствие, которое довольно просто называют: дырки.
Также мы можем на одной пластине проводить такие бомбёжки только определённых участков, тем самым, получая нужные типы полупроводников. Если немного углубиться в процесс создания микросхем, то самый близкий аналог будет, как ни удивительно, из кулинарии, а именно — многослойные торты.
Вот мы получили два полупроводника: P-типа с — дырками и N-типа — с электронами. И теперь, когда мы соединим их друг с другом, мы получим самый первый полупроводниковый компонент. Компонент это называется диод. Не идиот — это роман Достоевского, а диод. Он, в принципе и называется из двух греческих слов два и путь, что он, собственно, из себя и представляет. Изучения над диодами велись и ранее, но в оборот эти компоненты как диод ввел Вильям Генри Иклс в 1919 году. Стоит отметить, что есть несколько типов диодов, но всё же сейчас я ввожу вас в общий курс дел.
Так вот, а если мы сделаем бутерброд из двух слоев P-типа, а между ними добавим слой N-типа или наоборот, то таким образом мы получим триод или же более популярно сказать транзистор. По правде говоря, изобретение транзистора является величайшим достижением 20-го века. До этого были известны и очень часто пользовались вакуумные триоды и диоды, это период ламповых приборов.
В принципе вакуумные триоды и диоды выполняли все те же функции, что и полупроводниковые транзисторы и диоды, однако имели более крупные габариты, и большее энергопотребление.
То есть схематически ноутбук можно собрать и на ламповых приборах, но вот взять назвать его компактным и мобильным уже не получится. А чтобы его запитать вам потребуется электрогенератор. И думаю, далее не стоит объяснять почему полупроводники захватили все сферы? Я думаю, все и так это понимают, так что продолжим.
Грубо говоря, транзистор это такой переключатель, то есть при небольшом входном сигнале он может управлять значительным током на выходе, а также очень малым временем задержки. Кстати, на этом принципе строятся все транзисторные усилители.
Идём дальше, если мы добавим на кремний не один такой транзистор, а несколько десятков — то мы получим уже микросхему, которая может обладать логикой работы, или выполнять другие заранее заложенные в нее функции.
К слову, в современном компьютерном процессоре таком как Intel Core i9-12900K, количество транзисторов может достигать примерно 3 млрд.
Кризис полупроводников
Так вот плавно мы подошли к вопросу о всем насущном кризисе полупроводников. И исходя из всего о чём я уже сказал, у меня в голове немного не связывались определения, я думаю ну неужели кончается вещества, которые применяются в изготовлении полупроводников таких как: кремний, бор, сапфир, мышьяк и так далее.
Также был вопрос почему именно автопроизводители больше всех кричат о том, что сейчас кризис полупроводников.
Тем самым я углубился в этот вопрос, и оказалось, что официально это называется глобальная нехватка микросхем. И выражается он в том, что спрос превышает предложение примерно на 10-30%.
И логично что данный дефицит сказался на множестве отраслей и еще скажется.
Если смотреть в причины, то первым толчком стала пандемия ковид-19, когда многие производства были закрыты на карантин, а потребление электроники во всём мире выросло. Далее в октябре 2020 года произошёл пожар на Asahi Kasei Microdevices (AKM) которое входит в состав бизнес-групп Asahi Kasei Corporation. А выпускались там микросхемы используемые в обработке видео, мобильной связи, оптических сетях, которые применялись в автомобильных рынках. Это, кстати, и есть причина почему все автопроизводители кричат об этом дефиците. Ведь из-за этого пожара он затронул их сильнее.
Но было не так бы плохо если бы в марте 2021 года не произошел пожар еще на одном заводе компании Runesasu Erekutoronikusu Kabushiki Gaisha. Которая также производила микросхемы для автомобильной отрасли.
Тем самым я получил ответ почему об этом кризисе заявляет именно автомобильная промышленность.
Также стоит отметить то, что хоть и IT сфера не так пострадала, но там есть другая угроза, а именно до сих пор разворачивающийся майнинг криптовалюты. Так как спрос на комплектующие вырос многократно, что не могли предвидеть производители. Во многом он связан именно с дефицитом микросхем памяти, которые, кроме ноутбуков, игровых консолей, планках памяти для персональных компьютеров и серверов, также используются в видеокартах(которые разбирают майнеры, как горячие пирожки). Но на данный момент дефицит в этой сфере не такой большой, а производители в свою очередь продолжают наращивать обороты.
Когда я углубился в эту тему — я понял что, этот кризис не надуман, и не способ нарастить цену, хотя и не без этого скорее всего. Но и довольно закономерный итог современного мира. Так как сфер где применяются микросхемы всё больше, ведь сейчас практически вся бытовая техника носит гордое название “умная” что в свою очередь означает что там есть процессор который обрабатывает данные. В свою очередь рыночные механизмы повышают цену на товар, который пользуется спросом, тем самым ограничивая спрос, сохраняют товар на полках.
Вывод.
На этом можно и заканчивать. Я постарался вкратце рассказать что есть полупроводник, а что — микросхема, а также немного покопаться и порассуждать на тему кризиса микросхем. И почему именно автомобильная промышленность об этом кризисе кричит больше всех. А вы, пожалуйста пишите в комментариях что думаете на эту тему, и сможет ли мир нарастить производство чтобы покрыть спрос. Не забываем подписываться на канал и поставить лайк, ссылки на все площадки в описании. Всем пока и до новых встреч!
Введение в электронику.
Микросхемы
Микросхема (ИС – Интегральная Схема, ИМС – Интегральная Микросхема, чип или микрочип от английского Chip, Microchip) представляет собой целое устройство, содержащее в себе транзисторы, диоды, резисторы и другие, активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков, сотен, тысяч, десятков тысяч и более. Разновидностей микросхем достаточно много. Наиболее применяемые среди них – логические, операционные усилители, специализированные.
Большая часть микросхем помещена в пластмассовый корпус прямоугольной формы с гибкими пластинчатыми выводами (см. Рис. 1), расположенными вдоль обеих сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ — круглая или иной формы метка, от которой ведется нумерация выводов. Если на микросхему смотреть сверху, то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу — то в направлении движения часовой стрелки. Микросхемы могут иметь любое количество выводов.
В отечественной электронике (впрочем, в зарубежной тоже) особой популярностью среди микросхем пользуются логические, построенные на основе биполярных транзисторов и резисторов. Их еще называют ТТЛ-микросхемами (ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика). Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций, так и для усиления выходного сигнала. Весь их принцип работы построен на двух условных уровнях: низком или высоком или, что эквивалентно, состоянию логического 0 или логической 1. Так, для микросхем серии К155 за низкий уровень , соответствующий логическому 0, приняты напряжения от 0 до 0,4. В, то есть не более 0,4 В, а за высокий, соответствующий логической 1, – не менее 2,4 В и не более напряжения источника питания – 5 В, а для микросхем серии К176, рассчитанных на питание от источника, напряжением 9 В, соответственно 0,02. ..0,05 и 8,6. ..8,8 В.
Маркировка зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400. Условные графические обозначения основных элементов логических микросхем показаны на Рис. 2. Там же приведены таблицы истинности, дающие представление о логике действия этих элементов.
Символом логического элемента И служит знак “&” (союз “и” в английском языке) , стоящий внутри прямоугольника (см. Рис.2). Слева — два (или больше) входных вывода, справа — один выходной вывод. Логика действия этого элемента такова: напряжение высокого уровня на выходе появится лишь тогда, когда сигналы такого же уровня будут на всех его входах. Такой же вывод можно сделать, глядя на таблицу истинности, характеризующую электрическое состояние элемента И и логическую связь между его выходным и входными сигналами. Так, например, чтобы на выходе (Вых.) элемента было напряжение высокого уровня, что соответствует единичному (1) состоянию элемента, на обоих входах (Вх. 1 и Вх. 2) должны быть напряжения такого же уровня. Во всех других случаях элемент будет в нулевом (0) состоянии, то есть на его выходе будет действовать напряжение низкого уровня.
Условный символ логического элемента ИЛИ — цифра 1 в прямоугольнике. У него, как и у элемента И, может быть два и больше входов. Сигнал на выходе, соответствующий высокому уровню (логической 1) , появляется при подаче сигнала такого же уровня на вход 1 или на вход 2 или одновременно на все входы. Проверьте эти логические взаимосвязи выходного и входного сигналов этого элемента по его таблице истинности.
Условный символ элемента НЕ — тоже цифра 1 внутри прямоугольника. Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое отрицание “НЕ” на выходе элемента. На языке цифровой техники “НЕ” означает, что элемент НЕ является инвертором, то есть электронным “кирпичиком”, выходной сигнал которого по уровню противоположен входному. Другими словами: пока на его входе присутствует сигнал низкого уровня, на выходе будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Об этом говорят и логические уровни в таблице истинности работы этого элемента.
Логический элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ, поэтому на его условном графическом обозначении есть знак “&” и небольшой кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два и больше. Логика работы элемента такова: сигнал высокого уровня на выходе появляется лишь тогда, когда на всех входах будут сигналы низкого уровня. Если хотя бы на одном из входов будет сигнал низкого уровня, на выходе элемента И-НЕ будет сигнал высокого уровня, то есть он будет в единичном состоянии, а если на всех входах будет сигнал высокого уровня — в нулевом состоянии. Элемент И-НЕ может выполнять функцию элемента НЕ, то есть стать инвертором. Для этого надо лишь соединить вместе все его входы. Тогда при подаче на такой объединенный вход сигнала низкого уровня на выходе элемента будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в цифровой технике.
Обозначение символов логических элементов (знаков “&” или “1”) применяется только в отечественной схемотехнике.
ТТЛ-микросхемы обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток – большая потребляемая мощность.
В ряде случаев, когда не нужно высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют КМОП-микросхемы, которые используются полевые транзисторы, а не биполярные. Сокращение КМОП (CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor) расшифровывается как Комплементарный Металло-Оксидный Полупроводник. Основная особенность микросхем КМОП – ничтожное потребление тока в статическом режиме – 0,1…100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ. К КМОП-микросхемам относятся такие известные серии, как К176, К561, КР1561 и 564.
В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками – линейные микросхемы, к которым относятся ОУ – Операционные Усилители. Наименование “операционный усилитель” обусловлено тем, что, прежде всего такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования сигналов , их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т.д. Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.
Операционные усилители имеют два входа – инвертирующий и неинвертирующий. На схеме обозначаются минусом и плюсом соответственно (см. Рис.3). Подавая сигнал на вход плюс – на выходе получается неизменный, но усиленный сигнал. Подавая его на вход минус, на выходе получается перевернутый, но тоже усиленный сигнал.
При производстве радиоэлектронной продукции использование многофункциональных специализированных микросхем, требующих минимального количества внешних компонентов, позволяет значительно сократить время разработки конечного устройства и производственные затраты. К этой категории микросхем относятся чипы, которые предназначены для чего-то определенного. Например, существуют микросхемы усилителей мощности, стереоприемников, различных декодеров. Все они могут иметь совершенно разный вид. Если одна из таких микросхем имеет металлическую часть с отверстием, это означает, что ее нужно привинчивать к
радиатору.
Со специализированными микросхемами иметь дело куда приятнее, чем с массой транзисторов и резисторов. Если раньше для сборки радиоприемника необходимо было множество деталей, то теперь можно обойтись одной микросхемой.
Интегральные микросхемы: определение, обозначение, назначение
Интегральные микросхемы часто называют просто интегральными схемами. По определению интегральная схема (ИС) — микроэлектронное изделие (т. е. изделие с высокой степенью миниатюризации), выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.
Элемент интегральной схемы
— часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т. д.), причем эта часть выполнена нераздельно от других частей и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.
Компонент интегральной схемы в отличие от элемента может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения.
По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:
- полупроводниковые;
- гибридные;
- пленочные.
В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.
Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника.