Основные этапы развития электроники и микроэлектроникики

Основные этапы развития электроники и микроэлектроникики.Современный этап развития цивилизации характерен бурным ростом электроники. Сейчас, пожалуй, трудно назвать другую область науки и техники в любой развитой стране мира, которая имела бы столь высокие темпы развития, как электроника.

На современном этапе электроника ускоренными темпами развивается в обоих традиционных направле-ниях: приборном и аппаратурном. С одной стороны, идет развитие самой электронной техники: совершенствуются приборы, такие как диоды, транзисторы, другие электрон-ные приборы и создаются их новые классы. С другой стороны, на базе новых электронных приборов разрабаты-ваются и выпускаются новые виды электронной аппара-туры для разнообразных областей применения. Схематичес-кое изображение основных этапов развития электроники представлено на рис.1.1.

Однако наибольший интерес представляют некоторые особенности развития электроники. Во-первых, современный этап научно-технической революции характеризуется исключительно быстрым развитием сложной, основанной на новых принципах, электронной аппаратуры. В связи с этим традиционные методы ее дискретных элементов стали уже неприемлемы, поскольку они не могут обеспечить требуемую надежность, экономичность, энергоемкость, время изготовления и габаритные размеры. Необходимо было найти принципиально новые пути создания малогабаритной электронной аппаратуры. Эти требования и послужили причиной рождения нового научно-технического направления электроники – микроэлектроники.

Микроэлектроника явилась качественным результатом непрерывной миниатюризации электронной аппаратуры, стандартизации и унификации ее отдельных частей. Еще в эпоху электровакуумной электроникипредпринимались шаги для уменьшения габаритов элементов электронной аппаратуры и создания конструктивно законченных унифицированных фунциональных узлов. Под последними понимают группы электронных элементов, способных выполнять определенные функции обработки сигналов: усиление, формирование, преобразование, генерирование и т.п. Такие конструктивно законченные узлы приобрели наименование модулей.

 

Транзисторная техникапредоставила дополнительные возможности для работ в указанном направлении. Первоначально при изготовлении модулей использовались обычные дискретные транзисторы, диоды и пассивные элементы. В дальнейшем оказался возможным переход к микроминиатюризации узлов электронной аппаратуры, когда для создания модулей использовались специальные детали: бескорпусные транзисторы и диоды, а также малогабаритные пассивные элементы – микродетали.

В одном из конструктивных вариантов для каждого или нескольких микроэлементов предназначалась отдельная небольшая керамическая плата со стандартным расположением выводов по ее торцам. Этажерочный набор таких плат с электрическими соединениями отдельных элементов между собой вдоль их торцов давал возможность изготовлять функциональные узлы в виде небольших прямоугольных параллелепипедов (кубиков), названных этажерочными микромодулями.В другом варианте все детали или микродетали данного функционального узла собирались на одной изоляционной плате со стандартными размерами – плоском модуле или микромодуле. Уменьшение габаритов и веса электронных устройств на основе транзисторов не привело к существенному изменению их функциональных возможностей, однако значительно увеличило потребительский спрос на транзисторную радиоаппаратуру.  

 

На примере транзисторных радиоприемников ясно прослеживается тот факт, что изобретение транзистора в сильной степени способствовало миниатюризации электронных устройств, ранее изготовлявшихся на вакуумных электронных лампах. Это был первый шаг в направлении миниатюризации электронных устройств. Замена ламп транзисторами не привела к миниатюризации телевизоров, поскольку их габариты определяются размерами электронно-лучевых трубок. За исключением телевизоров специального применения, транзисторные телевизоры не претерпели уменьшения габаритов подобно транзисторным радиоприемникам.

Однако транзисторы позволили значительно уменьшить потребляемую мощность. Это привело к уменьшению тепловыделения внутри телевизионных приемников и, следовательно, к повышению их надежности. С особым нетерпением появления транзистора ждали вычислительной технике и в электронной аппаратуре самолетов и других летательных аппаратов. В 1947 г. в США была создана первая электронная вычислительная машина. Оценивая развитие ЭВМ, многие ученые рисовали весьма мрачные перспективы. Сколько ламп должна содержать ЭВМ? Первые большие машины (например, БЭСМ) имели около 5–6 тысяч ламп. Практика и расчеты показали, что этого явно недостаточно и что число ламп необходимо довести хотя бы до 10–15 тысяч. ЭВМ при этом превратилась бы в громоздкое сооружение, занимающее помещение площадью в несколько сотен квадратных метров и набитое электронными лампами. Но главной проблемой была проблема надежности. Электронные лампы того времени имели срок службы порядка 500–1000 ч. За это время

выходило из строя не менее 2% работающих ламп Например, в ЭВМ "Урал" находилось примерно 1000 ламп, за 1000 ч выходило из строя около 20 ламп. Таким образом, среднее время безотказной работы ЭВМ составляло 50 ч. При 10 000 ламп среднее время безотказной работы должно сократиться до 5 ч. В среднем каждые 5 ч надо будет искать вышедшую из строя лампу (среди 10 000!), заменять ее и проверять ЭВМ с помощью контрольной программы.

Огромное значение для бортового оборудования имеют его размеры, масса, количество потребляемой энергии. Каждый лишний килограмм увеличивает полетную массу самолета приблизительно на 5 кг, а массу ракеты – на 40–50 кг! Это происходит из-за необходимости брать дополнительный запас горючего, усиливать конструкцию. Миниатюризация и повышение надежности транзисторных устройств явились большим шагом вперед на пути совершенствования изделий электронной техники. Однако на определенном этапе стало невозможным решать новые задачи старыми средствами, на основе прежней элементной базы, какими стали транзисторы. Основными факторами, обусловившими смену элементной базы, явились ее надежность, габариты и масса, стоимость и мощность. Простой (хотя и нестрогий) расчет иллюстрирует причины перехода от транзисторной техники к микроэлектронике.

Пусть требуется построить компактное электронное устройство, содержащее 108 компонентов. Если попытать-ся решить эту задачу, используя дискретные компоненты, характеризуемые средней мощностью 15 мВт, средним размером с учетом соединений 1 см3, средней массой 1 г и интенсивностью отказов (выхода из строя) 10-5ч-1, то результат будет следующий: рассеиваемая устройством мощность – 1,5 Мвт, габариты 100 м3, масса 100 т. Как видим, устройство получилось далеко не компактное. Оно потребляет огромную мощность. На весь монтаж потребуется при 2-сменной работе не менее 10 человеко-лет. Однако самый главный вывод состоит в том, что средняя частота отказов (10-5 х108) оказывается равной 103 ч-1, т.е. около 1 отказа за 3 с, что, конечно, говорит о

неработоспособности устройства. Итак, в нашем примере техники оказалось невозможным. Ее можно решить только на качественно новой основе, используя новую элементную базу. И вот, в 1959 г. Дж. Килби и Р.Нойс независимо друг от друга подали заявки на изобретения, согласно которым на одном кристалле кремния строилась целая электронная схема. Сейчас такие схемы называются интегральными. Появление интегральных микросхем ознаменовало собой начало перехода от этапа транзисторной техники к новому этапу развития электроники – микроэлектронике. Следует подчеркнуть, что микроэлектроника и ее основополагающая идея – интеграция компонентов – зародилась в недрах дискретной транзисторной техники и впитала в себя ее прогрессивные методы и средства, например приемы планарной технологии.

Создание ИС привело не только к техническому развитию электронных устройств в направлении их миниатюризации и уменьшения веса, но и явилось началом тех больших социальных изменений, которые обусловили современную революцию в микроэлектронике.

Так, появление электронных наручных часов произвело переворот в часовой промышленности. Наручные часы из продукции точного машиностроения перешли в сферу изделий электронной промышленности. Предприятия, которые в недалеком прошлом полностью занимались производством механических наручных часов, частично изменили структуру производства с учетом выпуска электронных часов.

Аналогичным образом исчезли бытовые механические арифмометры, отошли на задний план такие простейшие вычислительные устройства, как счеты и логарифмические линейки.

Кроме выполнения четырех арифметических действий (сложение, вычитание, умножение и деление) бытовые вычислительные устройства могут вычислять функции, программировать вычисления, памяти, что побудило называть их скорее не калькуляторами, а ЭВМ. 

 

Благодаря появлению портативных бытовых ЭВМ (персональных компьютеров) мы перестали пользоваться таблицами элементарных функций, такими, как таблицы квадратных корней, логарифмов, тригонометрических функций.

Таким образом, микроэлектроника в настоящее время является «рабочей лошадкой» теорий вычисления и связи, а также основным компонентом бытовых товаров, что в определенном смысле способствует изменению нашего культурного уравня.

 

Закон Мура и перспективы развития микроэлектроники

19 апреля 2015 года Закону Мура исполняется 50 лет, и все эти годы он остается непререкаемым правилом для всей индустрии информационных технологий.

50 лет назад микроэлектроника пребывала в зачаточном состоянии. Чипов тогда производилось совсем мало, в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего 64 транзистора, о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед и предсказать, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться. Более того, одновременно он сделал провидческий прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство- все более массовым.

Годрон Мур отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на кристаллах действительно удваивалось каждый год, однако в будущем, когда сложность чипов возрастёт, удвоение числа транзисторов в микросхемах будет происходить несколько медленнее – каждые два года. Это новое предсказание также сбылось, и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать поныне (то есть в течение почти тридцати лет!), в последнее время немного ускорившись до удвоения за 18 месяцев, что можно наглядно проследить на примере деятельности лидера современной полупроводниковой индустрии корпорации Intel.

 

 

 

Микропроцессор Год выпуска   Число транзисторов 4004 1971 2.300 8008 1972 2.500 8080 1974 5.000 8086 1978 29.000 286 1982 120.000 Процессор Intel 386TM 1985 275.000 Процессор Intel 486TM 1989 1.180.000 Процессор Intel® Pentium® 1993 3.100.000 Процессор Intel® Pentium® II 1997 7.500.000 Процессор Intel® Pentium® III   1999 24.000.000 Процессор Intel® Pentium® 4 2000 42.000.000 Процессор Intel® Itanium® 2002 220.000.000 Процессор Intel® Itanium® 2 2003 410.000.000

Причём если судить по самому новому технологическому скачку (который удалось совершить Intel за последний год, подготовив двуядерные процессоры), «запросто» удваивающему количество транзисторов на кристалле (а в случае с переходом от Madison к Montecito – так вообще учетверяющему это количество), так закон Мура возвращается, пусть и ненадолго, к своему первоначальному виду – удвоение числа элементов микросхем за год!

 

Таким образом, можно даже сказать, что компания Intel за почти 40 лет своего существования (а была она основана в 1968 году при непосредственном участии Гордона Мура и Эндрю Гроува)1 фактически сделала закон Мура реальностью, упорно следуя в своих планах развития и разработок этой закономерности. Особенно это стало заметно в последние годы, когда необходимость следования закону Мура стала отмечаться почти в каждой программной речи руководителей этой корпорации. Да и по поводу сорокалетия закона Мура Intel устроила пышные торжества, подготовив, например, для широкой общественности полезную подборку информации, фото и видеоматериалов на www.intel.com/pressroom/kits/events/moores_law_40th/.

Впрочем, деятельность Intel – лишь отражение общей тенденции развития мирового рынка микроэлектроники, вычислительной техники и информационных технологий вообще, лавинообразно разрастающегося в последние десятилетия. Именно поэтому появились многочисленные «клоны» и «следствия» закона Мура, отражающие похожие тенденции экспоненциального роста в смежных областях информационных технологий. Например, так называемый закон Меткалфа (одного из основателей Ethernet), утверждающий, что использование вычислительных сетей возрастает пропорционально квадрату количества пользователей. При этом рост Интернет-траффика удесятеряется за пять лет (то есть удваивается примерно за полтора года).

Есть несколько интересных «соседей» закона Мура, также относящихся к полупроводниковой промышленности и даже иногда называемых «вторым», «третьим» и так далее законами Мура, но на деле таковыми не являющимися. Например, что стоимость строительства современной микроэлектронной фабрики удваивается каждые три года и к 2010 году достигнет фантастической суммы в 50 миллиардов долларов.

 

Или то, что вычислительная и/или тепловая мощность микропроцессоров растёт примерно теми же темпами, что и число элементов на кристаллах. Одно время в Intel закон Мура «подогнали» даже для частоты микропроцессоров (так, с 2000 до 2004 года за счёт роста частоты производительность процессоров Intel утроилась), но потом от этой затеи благоразумно отказались. Да и сам Гордон Мур в недавнем интервью подтвердил, что его закон относится только к числу транзисторов на кристалле, хотя и отражает общие для многих процессов экспоненциальные закономерности развития.