by Chris Woodford. Ostatnia aktualizacja: January 30, 2020.
Czy kiedykolwiek słyszałeś o komputerze z 1940 roku o nazwie ENIAC? Był on mniej więcej tej samej długości i wagi co trzy do czterech piętrowych autobusów i zawierał 18 000 brzęczących przełączników elektronicznych znanych jako lampy próżniowe. Pomimo jego gargantuicznych rozmiarów, był on tysiące razy mniej wydajny niż współczesny laptop – maszyna około 100 razy mniejsza.
Jeśli historia informatyki brzmi jak magiczna sztuczka – wciskanie coraz większej mocy w coraz mniejszą przestrzeń – to tak jest! Umożliwiło to wynalezienie układu scalonego (IC) w 1958 roku. Jest to zgrabny sposób na upakowanie setek, tysięcy, milionów, a nawet miliardów elementów elektronicznych na maleńkich chipach krzemowych, mniejszych od paznokcia. Przyjrzyjmy się bliżej układom scalonym i ich działaniu!
Zdjęcie: Układ scalony z zewnątrz. Ten układ występuje w wygodnej formie zwanej podwójnym pakietem liniowym (DIP), który składa się z czarnej plastikowej lub ceramicznej obudowy zewnętrznej z metalowymi bolcami po obu stronach, służącymi do podłączania do większej płytki obwodu elektronicznego (brązowa rzecz widoczna w tle). Rzeczywisty obwód, który wykonuje pracę, jest małym chipem osadzonym wewnątrz DIP; możesz zobaczyć, jak jest połączony z zewnętrznymi pinami DIP na następnym zdjęciu.
Co to jest układ scalony?
Foto: Układ scalony od wewnątrz. Jeśli udałoby Ci się zdjąć pokrywę z typowego mikroprocesora, takiego jak ten na zdjęciu u góry (a nie da się tego zrobić zbyt łatwo – uwierz mi, próbowałem!), oto co znalazłbyś w środku. Układ scalony to ten malutki kwadracik w środku. Połączenia biegną od niego do zacisków (metalowych pinów lub nóżek) wokół krawędzi. Kiedy podłączasz coś do jednego z tych zacisków, podłączasz się do samego układu. Na powierzchni samego chipu można dostrzec wzór elementów elektronicznych. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Otwórz telewizor lub radio, a zobaczysz, że jest zbudowany wokół płytki drukowanej (PCB): trochę jak elektryczna mapa ulic z małymi elektronicznymi komponentami (takimi jak rezystory i kondensatory) w miejsce budynków i drukowanymi miedzianymi połączeniami łączącymi je razem jak miniaturowe metalowe ulice. Płytki drukowane są w porządku w takich małych urządzeniach, ale jeśli spróbujesz użyć tej samej techniki do zbudowania skomplikowanej maszyny elektronicznej, takiej jak komputer, szybko trafisz na przeszkodę. Nawet najprostszy komputer potrzebuje ośmiu elektronicznych przełączników, aby przechować jeden bajt (znak) informacji. Więc jeśli chcesz zbudować komputer z tylko tyle pamięci do przechowywania tego akapitu, jesteś patrząc na około 750 znaków razy 8 lub około 6000 przełączników dla jednego akapitu! Jeśli zdecydujesz się na przełączniki takie jak w ENIAC-u – rurki próżniowe o wielkości dorosłego kciuka – szybko skończysz z wielką, głodną mocy maszyną, która potrzebuje własnej mini-elektrowni, aby utrzymać ją w ruchu.
Gdy trzej amerykańscy fizycy wynaleźli tranzystory w 1947 roku, sytuacja nieco się poprawiła. Tranzystory były o ułamek wielkości lamp próżniowych i przekaźników (przełączników elektromagnetycznych, które zaczęły zastępować lampy próżniowe w połowie lat 40-tych), zużywały o wiele mniej energii i były o wiele bardziej niezawodne. Ale nadal istniał problem łączenia tych wszystkich tranzystorów w skomplikowane obwody. Nawet po wynalezieniu tranzystorów, komputery były wciąż plątaniną kabli.
Foto: Układy scalone pasują do płytek drukowanych (PCB), takich jak ta zielona, którą widać tutaj. Zwróć uwagę na cienkie ścieżki łączące „nóżki” (terminale) dwóch różnych układów scalonych razem. Inne ścieżki łączą układy scalone z konwencjonalnymi elementami elektronicznymi, takimi jak rezystory i kondensatory. Możesz myśleć o tych ścieżkach jak o „ulicach” tworzących ścieżki pomiędzy „budynkami”, w których wykonywane są użyteczne rzeczy (same komponenty). Wewnątrz układu scalonego znajduje się również zminiaturyzowana wersja płytki drukowanej: ścieżki są tworzone w mikroskopijnej formie na powierzchni płytki krzemowej.
Układy scalone zmieniły to wszystko. Podstawowym pomysłem było wzięcie kompletnego obwodu, ze wszystkimi jego wieloma komponentami i połączeniami między nimi, i odtworzenie całości w mikroskopijnej formie na powierzchni kawałka krzemu. To był niesamowicie sprytny pomysł i dzięki niemu możliwe stało się stworzenie wszelkiego rodzaju „mikroelektronicznych” gadżetów, które teraz uważamy za oczywiste, od cyfrowych zegarków i kieszonkowych kalkulatorów po rakiety lądujące na Księżycu i pociski z wbudowaną nawigacją satelitarną.
Prawo Moore’a
Układy scalone zrewolucjonizowały elektronikę i informatykę w latach 60. i 70. Na początku inżynierowie umieszczali dziesiątki komponentów na chipie w tak zwanym Small-Scale Integration (SSI).Wkrótce pojawiła się Medium-Scale Integration (MSI), z setkami komponentów na obszarze tej samej wielkości.Przewidywalnie, około 1970 roku, Large-Scale Integration (LSI) przyniosła tysiące komponentów, Very-Large-Scale Integration (VLSI) dała nam dziesiątki tysięcy, a Ultra Large Scale (ULSI) miliony – a wszystko to na chipach nie większych niż były wcześniej. W 1965 r. Gordon Moore z Intel Company, wiodącego producenta układów scalonych, zauważył, że liczba komponentów na chipie podwaja się mniej więcej co rok lub dwa lata. Prawo Moore’a, jak wiadomo, obowiązuje do dziś. W wywiadzie dla The New York Times 50 lat później, w 2015 roku, Moore ujawnił swoje zdumienie, że prawo to nadal obowiązuje: „Pierwotne przewidywania mówiły o 10 latach, co wydawało mi się naciągane. To było przejście od około 60 elementów na układzie scalonym do 60 000 – tysiąckrotna ekstrapolacja w ciągu 10 lat. Pomyślałem, że to dość szalone. Fakt, że coś podobnego dzieje się od 50 lat jest naprawdę niesamowity.”
Wykres: Prawo Moore’a: Liczba tranzystorów upakowanych w mikroprocesorach podwajała się mniej więcej co rok lub dwa przez ostatnie pięć dekad – innymi słowy, rosła wykładniczo. Jeśli wykreślić liczbę tranzystorów (oś y) względem roku wprowadzenia na rynek (oś x) dla niektórych popularnych mikroprocesorów z ostatnich kilku dekad (żółte gwiazdki), otrzymamy krzywą wykładniczą; wykreślając logarytm, otrzymamy tę prostą linię. Zwróć uwagę, że oś pionowa (y) tego wykresu jest logarytmiczna i (z powodu używanego przeze mnie oprogramowania graficznego OpenOffice) oś pozioma (x) jest tylko mgliście liniowa.Źródło: Wykreślone przy użyciu danych z Transistor Count, Wikipedia, sprawdzone z innymi źródłami.