Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Информатика

Логические основы построения вычислительных машин

Синтез микросхем ЭВМ (сумматора, полусумматора и др.) выполнен на основе алгебры логики.

Одноразрядный двоичный сумматор (полусумматор)

Сумматор имеет два входа (а и b) и два выхода (S и Р). Выполняется операция сложения согласно правилам, определяемым таблицей истинности (табл. 4.2).

Таблица 4.2. Таблица истинности

а

ь

f1(a, b) = S

f2(a, b) = P

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

Примечание:– значение цифры суммы в данном разряде;

– цифра переноса в следующий (старший) разряд. Логическая блок-схема устройства, реализующего функцию

представлена на рис. 4.5.

Логическая блок-схема полусумматора

Рис. 4.5. Логическая блок-схема полусумматора

Обозначение логических блоков в соответствии с международным стандартом

Рис. 4.6. Обозначение логических блоков в соответствии с международным стандартом[1]

Схема содержит логические блоки в соответствии с международным стандартом (рис. 4.6).

Для логических выражений "ИЛИ", "И" и "НЕ" существуют типовые технические схемы, построенные на реле, электронных лампах, дискретных полупроводниковых элементах и интегральных схемах. В современных компьютерах применяются системы интегральных элементов, у которых с целью большей унификации в качестве базовой логической схемы используется всего одна из схем: "НЕ – И" – называется NAND, или штрих Шеффера; "НЕ – ИЛИ" – NOR или стрелка Пирса; "НЕ – И – ИЛИ" – NORAND.

Электронные технологии и элементы, применяемые в ЭВМ

Электронные технологии и элементы, на базе которых создавались ЭВМ, многократно изменялись. Машины первого поколения строились на электронных лампах, второго поколения – на дискретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах – транзисторах), третьего и последующих поколений – на интегральных полупроводниковых схемах. Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, применялись такие системы элементов, как резисторно-диодные, резисторно-транзисторные, феррито-транзисторные, диодно-транзисторные, транзисторно-транзисторные. Наибольшее распространение в современных интегральных схемах получили транзисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах. В этих системах обеспечивается полная однородность структуры микросхемы – они содержат только транзисторы, что облегчает технологию их изготовления.

Архитектура используемых в ЭВМ транзисторов также изменялась.

В машинах второго поколения применялись биполярные германиевые и кремниевые р–n–р- и пр–n-транзисторы, в интегральных схемах – униполярные полевые МОП-транзисторы (МОП – "металл–окисел–полупроводник" или MOS – Metal–Oxide–Semiconductor).

Полевые транзисторы. Транзисторы этого типа имеют три электрода: затвор (аналог базы биполярных транзисторов), исток (аналог эмиттера), сток (аналог коллектора). Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния1, управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в прп-транзисторах) или дырок (как в рп– р-транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП-транзисторы и называются полевыми.

Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, так как механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке (рис. 4.7).

Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей: пМОП; рМОП; МОП с дополнительной симметрией (КМОП-транзисторы – комплиментарная структура "металл–оксид–полупроводник", CMOS – Complimentary Metal Oxide Semiconductor).

Транзисторы nМОП с каналом n-типа работают на основе электронной проводимости. Транзисторы рМОП с каналом p-типа работают на основе дырочной проводимости. Быстродействие транзисторов несколько выше, чем рМОП, поскольку электроны более подвижны, чем дырки. Униполярный транзистор во включенном состоянии может проводить ток в любом направлении.

Элементы транзистора

Рис. 4.7. Элементы транзистора

В настоящее время массовое применение имеют КМОП-транзисторы. Симметрия создается в схемах путем совместного использования гсМОП- и рМОП-транзисторов. КМОП-схемы можно соединять между собой для обеспечения устойчивости их работы. Они имеют меньшее энергопотребление, могут более плотно упаковываться; исполняться в более миниатюрном масштабе микротехнологий. В настоящее время КМОП-транзисторы применяются в системах оперативной памяти, флэш-памяти. В модулях оперативной памяти для хранения одного бита информации используется конденсатор – "паразитная" емкость, имеющаяся между электродами транзистора. Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда – 0, отсутствие заряда – 1 (иногда наоборот). Для сохранения заряда емкости необходима постоянная его регенерация с периодом десятки миллисекунд, поэтому такая память является энергозависимой и называется динамической.

В КМОП-транзисторах флэш-памяти для обеспечения энергонезависимости под основным затвором помещен еще один, так называемый плавающий затвор (рис. 4.8). Плавающий затвор имеет металлизацию для создания на границе раздела между металлом и полупроводником потенциального барьера Шотки[2], позволяющего хранить заряд конденсатора длительное время.

КМОП-транзистор флэш-памяти

Рис. 4.8. КМОП-транзистор флэш-памяти

В появившихся в 2002 г. новых видах памяти FeRAM и MRAM используются сверхтонкие магнитные пленки, наносимые на поверхность кремниевой подложки интегральной схемы. Поверх этой пленки, изготовленной из ферроникелиевого сплава – магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, наносятся еще электроды, которые создают при пропускании через них электрического тока магнитное поле, намагничивающее цилиндрические магнитные домены (наномагниты размером ОД мкм) этой пленки в нужном направлении для записи и считывания информации. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса используются во всех внешних запоминающих устройствах на магнитных и магнитооптических дисках, магнитных лентах и в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) на магнитных сердечниках (рис. 4.9).

При подаче положительного импульса Н, превышающего Нс, материал намагничивается до значения Вт, превышающего Вг. После снятия внешнего поля Н материал возвращается в состояние Вг (запись "1"). При подаче отрицательного импульса Н, превышающего с, материал намагничивается до значения т. После снятия отрицательного импульса материал возвращается в состояние г (запись "0"). При считывании подается отрицательный импульс Н и скорость изменения магнитной индукции материала формирует электронный импульс, амплитуда напряжения которого у выхода определяется формулой

Петля гистерезиса магнитного материала

Рис. 4.9. Петля гистерезиса магнитного материала:

Н – напряженность магнитного поля; В – магнитная индукция материала; Нс – коэрцитивная сила материала; Вт – максимальная магнитная индукция; В, – остаточная магнитная индукция

При считывании "О" ДВ – минимально, и электрический импульс практически не возникает. При считывании "1"ΔΒ = Вг – (-Вг) = 2Вг, т.е. ΔΒ большое и формируется импульс, кодирующий "1".

Планарные микросхемы. Интегральные схемы с МОП-транзисторами изготавливаются по планарной технологии. На поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защитный слой диэлектрика обычно путем окисления поверхности для образования пленки из двуокиси кремния. Методами фотолитографии в пленке вскрывают микроокна.

Поверх слоя диэлектрика наносится металлическая пленка, имеющая в окнах контакт с поверхностью полупроводника. Через окна для создания электронно-дырочных переходов нужной (п или р) полярности проводится диффузия или ионная имплантация (легирование) материалов-доноров или акцепторов-электронов. Кремний является четырехвалентным химическим элементом, для образования р-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n-областей – пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор)[3]. Параметры транзисторов зависят от масштаба технологического процесса их изготовления (масштаба технологии), который непрерывно уменьшается. Еще несколько лет назад использовались технологии 0,15–0,11 мкм, а в 2007 г. – уже 0,045 мкм.

В 2003 г. концерн IBM предложил комбинированную микросхему, в которой на одну и ту же подложку "кремний на изоляторе" (Silicon on insulator, SOI) помещают одновременно и биполярные, и полевые транзисторы. Такая схема обладает меньшим энергопотреблением, а комбинированные чипы по технологии 0,065 мкм стали выпускаться в 2005 г.

Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, уменьшает паразитные индуктивности и емкости электродов. Это позволяет повысить рабочую частоту микросхемы.

Но при этом миниатюризация транзисторов[4] приводит к росту паразитных токов утечки, а это повышает энергопотребление и снижает устойчивость работы схемы. Снижение напряжения питания схемы уменьшает разогрев схем только частично, а мощность токов утечки может достигать сотен ватт. Уменьшение токов утечки достигается следующими способами: использование медных проводников вместо алюминиевых; применение технологии напряженного (растянутого) кремния – strained Si (увеличение расстояния между атомами кристаллической решетки уменьшает удельное электрическое сопротивление).

В современных микросхемах толщина изолирующего слоя из диоксида кремния (SiO2) составляет всего 1,2 нанометра, т.е. имеет толщину примерно пяти атомов, поэтому ток утечки сравнительно велик и тепловыделение значительное (по оценкам экспертов почти 40% тепловыделения обусловлено утечками). Для улучшения электрических характеристик фирма "Intel" намерена заменить оксид кремния оксинитридом кремния (SiON) с другой диэлектрической проницаемостью. Новая технология (под кодовым номером 1266) с масштабом 0,045 мкм на базе 300 мм подложек, медных соединений и напряженного кремния освоена в 2007 г., а с масштабом 0,032 мкм планируется освоить в 2009 г. (табл. 4.3).

Таблица 4.3. Сравнительные характеристики новых технологий

Код процесса

Р1260

Р1262

PI 264

PI 266

P1268

Год внедрения

2001

2003

2005

2007

2009

Масштаб, мкм

0,13

0,09

0,065

0,045

0,032

Металл

проводников

Си

Си

Си

Си

Си

Канал

Si

Strained Si

Strained Si

Strained Si

Strained Si

  • [1] Для схемы НЕ символ "1" внутри может не указываться.
  • [2] Диоды Шотки, использующие этот барьер, проводят ток только в одном направлении, а в другом направлении даже создают запирающий потенциал. Эти диоды известны очень давно и использовались в 1940–1950-е гг. в весьма популярных тогда детекторных радиоприемниках, не требующих для своей работы источника электрического питания (необходимое напряжение для прослушивания местных радиостанций через наушники как раз и создает потенциал барьера Шотки).
  • [3] Весьма перспективна разработанная в университете Баффало технология использования "самоорганизующихся" химических веществ – материалов с микроскопическими структурами ("квантовыми точками") при изготовлении полупроводниковых приборов. По данным исследователей, из названных веществ даже при комнатной температуре самопроизвольно происходит реакция, приводящая к созданию регулярных микроскопических структур с ячейками диаметром 0,04 мкм (механизм образования таких структур подобен образованию эмульсии в жидкости).
  • [4] В ряде случаев толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами атомов.
 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы