Что такое компьютерный чип?

Что такое компьютерный чип?

Историки делят эпохи существования человечества на «века», которым дается имя самого важного для людей материала. Был Каменный век, его сменил Бронзовый, затем пришел черед Железного. Сегодня все чаще говорят о том, что и Железный век подошел к концу. Его сменил Век кремния. Ведь без кристаллов этого удивительного химического элемента наша цивилизация была бы совершенно другой.

Мы не знали бы ни персональных компьютеров, ни мобильных телефонов размером со спичечный коробок, ни игровых приставок, да и множества других электронных устройств, широко применяемых в быту, науке и промышленности.

Именно из кремния делаются так называемые микрочипы (или, говоря по-научному, интегральные микросхемы), которые позволяют в доли секунды проводить сложнейшие вычисления и обрабатывать огромные объемы информации, записанной в виде цифрового кода.

Что такое компьютерный чип?

Что такое компьютерный чип?

Как Вы знаете, современный компьютер работает с двоичным кодом – с информацией, записанной в виде всего лишь двух цифр – единицы и нуля. Поэтому вычислительная машина представляет собой очень сложную комбинацию множества простейших элементов – переключателей, каждый из которых может занимать всего лишь два положения: «1″ и «0″.

Вакуумные электронные лампы

На заре компьютерной эры в качестве таких переключателей использовались реле (управляемые электричеством выключатели) и вакуумные электронные лампы. Нетрудно себе представить, сколько ламп или реле нужно было соединить в одну систему, чтобы получить даже не очень быстрый или производительный по нынешним временам компьютер. ЭВМ прежних времен занимали огромные залы высотой в несколько этажей, а считали и обрабатывали данные медленней, чем самый захудалый настольный компьютер наших дней.

вакуумные электронные лампы

Вакуумные электронные лампы.

Транзистор

Путь к совмещению производительности и компактности был открыт еще в 1947 году, когда в США был создан первый в истории транзистор. Этот миниатюрный по сравнению с лампами и реле прибор мог тоже выполнять функцию электронного переключателя. По управляющему сигналу он то пропускал, то не пропускал электрический ток.

Транзистор.

Транзистор.

Что из себя представляет транзистор? Это соединение трех кусочков материалов с особенными свойствами электропроводимости. Такие материалы называются полупроводниками.

Транзисторы совершили настоящую революцию в электронике. Телевизоры и радиоприемники выпускались теперь не на громоздких и потребляющих много энергии лампах, а на транзисторах – компактных и экономичных. Но развитие компьютерной техники даже небольшие по размеру транзисторы не устраивали. Для достижения все более высокой производительности в конструкцию компьютера необходимо встроить не пару десятков транзисторов, как в каком-нибудь радиоприемнике, а десятки и сотни тысяч, миллионы. Чем больше этих транзисторов и чем меньше они по размеру, тем быстрее считает ЭВМ.

Интегральная микросхема.

Интегральная микросхема.

Интегральные микросхемы

И следующей революцией в электронике стало появление интегральных микросхем. Интегральная микросхема, или чип – это собранная в одном миниатюрном электронном приборе схема, составленная из огромного множества транзисторов и диодов, каждый из которых имеет микроскопические размеры. Например, центральный процессор современного персонального компьютера содержит в себе от 731 млн. до 2.27 миллиардов транзисторов, в зависимости от модели.

Технология создания микрочипов зародилась в 50-е годы 20 века, но промышленное производство микросхем началось в 70-е годы. С тех пор чипы становились все совершеннее и сегодня уже невозможно представить себе электронику без маленьких тоненьких кремниевых пластинок с огромными возможностями.

Как производят кремниевые чипы?

Производство кремниевых чипов – это очень сложный высокотехнологичный процесс. Для начала необходимо получить чистый кремний. Естественно, в природе такой не встречается. Поэтому для начала добывается кварц (природный минерал, в котором кремний соединен с кислородом), который затем переплавляется и очищается от мельчайших примесей. В расплавленный кварц опускается микроскопический кристалл кремния. Он служит своего рода «семенем», вокруг которого вырастает большой, цилиндрической формы кремниевый кристалл.

Производство чистого кремния.

Производство чистого кремния.

С помощью сверхпрочной алмазной пилы кремниевый цилиндр распиливается на тончайшие (не более четверти миллиметра) кружочки. По-английски их называют «вэйферами», что можно перевести на русский язык как «вафелька».

Чистый кремний не пропускает ток, но если на него напылить микроскопические частички металла, то отдельные его области приобретут свойства полупроводника и вокруг этих областей можно построить микроскопические транзисторы. То, что происходит с «вафелькой» далее больше напоминает не сборку электронной аппаратуры, а засветку и проявку фотобумаги.

На кремниевую пластину наносят специальную эмульсию (фоторезист), чувствительную к ультрафиолетовым лучам. Затем сверху накладывают «маску» – нечто вроде пленки-негатива. Темные участки «маски» соответствуют тем местам на будущем чипе, куда необходимо нанести микроскопические частички электронных элементов. Светлые участки указывают на те части кремниевой пластинки, которые должны остаться нетронутыми. Теперь «вэйфер» облучают через «маску» ультрафиолетом. Происходит фотохимическая реакция сродни той, что рождает фотографию на пленке или фотобумаге. Облученные ультрафиолетовыми лучами участки приобретают особые свойства. Эмульсия здесь становится очень стойкой и не растворяется в кислоте. А фрагменты эмульсии, скрывшиеся под темными участками «маски», могут быть легко смыты кислотой. Что собственно и делается.

Производство чипов.

Производство чипов.

Теперь кремниевую «вафельку» разогревают в печке и обдувают раскаленным газом, содержащим нужные металлические примеси. Там, где после «кислотной ванны», остался чистый кремний, напыление остается на кремниевой пластинке. В остальных местах кремний прикрыт слоем эмульсии, которой придал стойкость ультрафиолет. Наконец, специальным раствором смываются и эта эмульсия, и у нас остается абсолютно чистая кремниевая пластина с нанесенным в соответствии со схемой напылением.

Чип готов? Ничего подобного! Для того, чтобы кремениевая пластина превратилась наконец в настоящую электронную схему, в которой были бы соединены друг с другом тысячи и миллионы электронных компонентов, всю описанную выше операцию придется повторить много раз: новый слой эмульсии, новая схема-«маска», новое засвечивание ультрафиолетом и новое напыление. Так, слой за слоем формируется электронный чип.

Обычно на одном круглом «вэйфере» напыляются сразу много будущих чипов, имеющих квадратную форму. Когда все готово, «Вафельку» разрезают алмазной пилой. К каждой из полученных кремниевых пластинок приваривают ножки-контакты, и заключают получившийся чип в пластиковый корпус. Теперь осталось смонтировать его на печатной плате устройства, для которого чип предназначен, и – в работу.

©При частичном или полном использовании данной статьи — активная гиперссылка ссылка на alfaed.ru ОБЯЗАТЕЛЬНА

Вас это заинтересует:

Тэги: Изобретения, Компьютер, США, Технологии, ЭВМ

Еще нет комментариев

Добавить комментарий