56
Первое знакомство
Доктор физико-математических наук М. Е. ЛЕВИНШТЕЙН, кандидат физико-математических наук Г. С. СИМИН
Наверняка мы не ошибемся, если предположим, что большинство наших читателей лучше представляют себе, что могут делать электронно-вышистельные машины, нежели знают, как эти машины устроены. Многие не только расскажут, какие задачи решаются с помощью ЭВМ, но и продемонстрируют на микрокалькуляторе способны сегодня практически все школьники старших классов. А вот что там, внутри этих устройств? Что лежит в основе их работы?
Электронные цифровыеышистельные машины появились 40 лет назад, вскоре после окончания второй мировой войны. Машины «Эниак» (США), «БЭСМ-1», «Урал-1» (СССР) и др. содержали несколько десятичных электронных ламп и продельвали 5—10 тысяч операций в секунду.
Современные ЭВМ содержат миллионы полупроводниковых прибора и выполянют десяти миллионов операций в секунду.
Колосальный прогресс ЭВМ решающим образом связаан с развитием физики полупроводников и полупроводников технически.
Полупроводниковые приборы — основа современной радиоэлектроники; ЭВМ — самое сложное радиоэлектроное устройство, когда-либо созданное человеком. Схема коротковolverного переносного радиоприменника включает 10—15 полупроводниковых элементов (транзисторов и диодов), цветного телевизора на полупроводниках — более 100. Большая ЭВМ содержит десятики миллионов элементов и намного превосходит все другие устройства по сложности своей внутренней структуры.
И в то же время, это сложнейшее радиоэлектроное устройство состоит из простых элементов языка, называемых логических схемами. В свою очередь их основой, а следовательно, и основой работы все машины являются один-единственный элемент, обладающий главным свойством: способность нахождения в двух хорошо различных физических состояниях, одно из которых можно условно назвать «нулем», а другое — «единицей». Физика известны десятиками так называемых «ключевых» прибора, обладающих этим свойством, число таких прибора с каждым годом увеличивается, и на основе любого из них можно, в принципе, построить ЭВМ. Но только в принципе! Реальные комплютеры предъявляют к своему основному элементу цельный набор весыких требований.
Во-первых, скорость переключения элемента, то есть скорость его переход из состояния «0» в состояние «1» и обратно, должна быть очень велика, так как она определяет быстроествие всей машины; во-вторых, его размеры должны быть очень малы — ведь элементов в ЭВМ миллионы; в-третьих, по той же причине, потребляемая им мощность и его стоимость должны быть очень низкими; в-quетвертых, он должен быть надежен; в-пятьх, …, в-восьмых, …, в-десятьх…
Оказывается, что единственный тип прибора из множества известия сerdания «ключевых» элементов, который удовлетворяет всем совокупностям жестких и противерчных требований современных ЭВМ, — это трансисторы, объединенные в большие и сверхольшие интегральные схемы (ВИС и СВИС).
По появления интегральных схем трансисторов создавались следующим образом. На большей кремниевой пластине изготовленные несколько тысячи трансисторов и все необходимые соединения, — интегральную схему (ИС) — возникла в 1952 году и была реализована в 1959 году.
57
Отечественная ЭВМ EC-1060 — одна из самых мощных машин 3-20 поколеня. Элементная база — ИС на основе биполярных трансисторов. Быстроествие — 3 млн. операций в секунду. Содержит более 10 млн. трансисторов.
«Электронка БЗ-38» — микрокалькулятор на основе одного кристалла, содержащое 35 тысяч полевых трансисторов. Размер кристалла ~5×5 мм². Содержит микропроцраммы 34 математических операций. Потребляет менее 600 мкВт, весит менее 50 г.
Целовечский мозг имеет вместе приблизительно 10¹³ единиц информации. Чтобы размещить эту информацию в память ЭВМ, в 1960 году потребовалось бы помещение объемом 500 мл. м³.
Если современная скорость сокращения размеров полупроводниковых элементов в ИС сохраняется, то в 2050 году эта информация может быть размещена в объеме, меньшем, чем объем головы человека.
Цластина разрезалась на множество мелких кристаллов, каждый из которых представлялся собой один будущий трансистор. Затем началась длинная последовательность трудомекких ручных операций. Кристаллик креплился в специальный держатель, под микросом с двух сторон к кристаллу приварились выводы-проволочки, вся конструкция помещалась в специальный корпус, герметизировалась. И в результате трансистор был готов служить элементом любои радиоэлектронной схемы.
Получалось, что сначала трансисторы отделились один от другого (когда пластина разрезалась), а затем, при изготовлении схемы, снова соединились друг с другом.
Идея ИС состоит в том, чтобы изготовливать на пластине одновременно и трансисторы, и необходимые соединения между ними. В результате каждой пластина содержит готовые радиоэлектронные схемы. В корпус помещается теперь не один трансистор, а схема, насчитывающая много (до сотен тысяч) трансисторов и имеющая сравнительное небольшое число внешних выводов. Размеры электронных схем очень сильно уменьшаются, их надежность возрастает.
Если бы знакомый всем микрокалькулятор был собран не на ИС, а на обычных дискретных трансисторах, он был бы размером с письменный стол и выходил из строй каждой час. Электронные нарушения часы вообше не могли бы существовать. Да и современные ЭВМ, насчитывающие десяти миллионов трансисторов, были бы практическими непргиодны: они выходили бы из строй каждой несколько секунд.
В ЭВМ использует ИС, содержащие два основных типа трансисторов: биполарные и полевые.
В наших последующих заметках мы рассекем о принципах работы биполарных и полевых трансисторов и о простейших логических схемах, лежащих в основе действия ЭВМ.