Микросхема

Было время, когда различные радиоэлектронные устройства собирали исключительно из дискретных элементов: радиоламп, конденсаторов, резисторов, диодов, транзисторов и т.п. (см. мои статьи «Электронная лампа», «Полупроводниковый диод», «Транзистор», а также об усилителях, приёмниках и цветомузыкальных приставках).
Вначале основными активными компонентами были электронные лампы. Радиоэлектронные устройства на лампах были громоздкими, требовали довольно высокого (анодного) напряжения, да плюс еще напряжения для накальных цепей, поскольку лампы имели подогреваемые катоды. Потребляемая электрическая мощность ламповых устройств также была немалой.
Конечно, не все с лампами было столь однозначно. В частности, были радиолампы с низким анодным напряжением; лампы прямого накала с низким напряжением накала; появились миниатюрные (естественно, маломощные) радиолампы. Устройства на лампах также были не только стационарные (с питанием от сети или от больших анодных батарей), но и переносные, например, радиоприёмники и радиостанции.
Транзистор, созданный в конце 40-х годов ХХ века, казалось, «задвинул» радиолампы куда-то на задний план.

1. КАК ПОЯВИЛАСЬ МИКРОСХЕМА (немного истории)

В 1947 Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн (фото 1) в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор (фото 2), продемонстрированный 16 декабря того же года.

23 декабря 1947 года состоялось официальное представление изобретения, и именно эта дата считается днём рождения транзистора. В 1956 году Шокли, Бардин и Браттейн были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Впоследствии Джон Бардин стал единственным за всю историю «нобелевки» дважды лауреатом в одной и той же номинации: вторая премия в области физики была присуждена ему в 1972 году за создание теории сверхпроводимости.
Само название - «транзистор» - придумал их коллега Джон Пирс. В мае 1948 года он победил во внутреннем конкурсе, организованном среди сотрудников лаборатории, на самое удачное название изобретения, которому на тот момент исполнилось всего несколько месяцев. Слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов: «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор).

Чтобы максимально ускорить популяризацию транзисторов, в научно-исследовательском центре Bell Labs было принято решение продать лицензию на транзисторные технологии. Лицензию стоимостью 25000 долларов США приобрели 26 компаний. Однако для коммерческого успеха транзисторных технологий нужно было привлечь внимание массовой аудитории. Это стало возможным благодаря транзисторным радиоприемникам.

Первая модель массового транзисторного радиоприёмника «Regency TR-1» (фото 3), содержавшая четыре транзистора (рис. 4)., была представлена в октябре 1954 года.

Таким образом, применение транзисторов позволило значительно уменьшить габариты и энергопотребление радиоэлектронных устройств. Появилось великое множество переносных устройств: радиоприёмники, магнитофоны, телевизоры, плееры, радиостанции и т.п. Но технический прогресс не мог на этом остановиться…

В воздухе» витала идея: а нельзя ли на основе одного (общего) полупроводникового кристалла создать два (и более) транзистора?
Килби, опираясь на разработанный Куртом Леховеком принцип изоляции электронных компонентов p-n-переходами, в июле 1958 года разработал изначальную концепцию, а 12 сентября 1958 года представил первую работоспособную модель интегральной микросхемы (фото 5).
Вид у прототипа был несколько страшноватый. Килби неоднократно потом замечал, что если бы он знал, что впервые показывает устройство, на котором следующие полстолетья будут держаться все информационные технологии, он бы, конечно, сделал его несколько симпатичнее.

В первой реализации Килби микросхема представляла собой германиевую полоску 7/16 на 1/16 дюйма (т.е. примерно 11х1,5 мм).

Она содержала один-единственный транзистор, несколько резисторов и конденсатор (что-то подобное на рис. 6). Примитивно, но свою пробную задачу – вывести синусоидальную волну на экран осциллографа (фото 7) – она выполнила.

В патентной заявке, которую Джэк Килби подал только через полгода, 6 февраля 1959 года, он описал новое устройство так: "объект из полупроводникового материала... где все компоненты электронной схемы полностью интегрированы".

Повторю важный момент: суть изобретения, на десятилетия предопределившего развитие электронной отрасли, заключалась в размещении всей электронной цепи в крошечном кусочке полупроводника. Практически все сегодняшние микросхемы являются прямыми потомками этого прототипа.

В 1959 году Джек Килби (фото 8) из компании Texas Instruments и Роберт Нойс из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из отцов-основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну микросхему.

2. КАК Я ПОЗНАКОМИЛСЯ С МИКРОСХЕМАМИ (ещё немного истории)

Однако, «скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается»…
Я помню ещё то время, когда из дискретных элементов изготавливали отдельные функциональные узлы РЭА, которые встраивались в различные устройства.
Функциональным узлом буду называть конструктивно завершённую сборочную единицу, компоненты которой выполняют некую единую функцию. Примером применения таких узлов может служить, например, магнитофон «Дайна» ( фото 9 транзисторный вариант), который я разобрал где-то в конце 70-х годов прошлого века.

Помню, меня несколько удивило то, что в магнитофоне было совсем мало транзисторов. Вместо них я обнаружил три блока (на фото 10 обозначены цифрами 1, 2, 3), которые до сих пор сохранились в моих «запасниках». Когда я нашёл схему магнитофона, то понял, что в этом аппарате использовались именно функциональные узлы.

На схеме (рис. 11) я выделил их зелёным цветом.

Разумеется, это были совсем не микросхемы. Но практического применения этим узлам я так и не нашёл…

В те времена я жил на селе и работал в школе учителем физики. Найти современные (по тем временам) радиокомпоненты сельскому радиолюбителю было чудовищно сложно. Единственная база Посылторга, которая занималась рассылкой (в том числе) радиодеталей, не обладала достаточным ассортиментом. У меня сохранилась книжка «Транзисторные конструкции сельского радиолюбителя» (1974г) (ссылка на библиотеку), в которой описаны устройства, доступные (в смысле компонентов) для сборки именно на селе. Где и как можно было раздобыть современные, да и вообще всякие разные радиодетали? Только разбирая всякую вышедшую из строя РЭА или через знакомых, которые имели возможность что-либо «достать».

В начале 90-х годов мне попались так называемые «транзисторные сборки», где в одном корпусе размещались несколько транзисторов (фото 12).

Сейчас я уже не помню точно, какую именно микросхему я увидел первой. Но, само собой, реально я познакомился с микросхемами в процессе разбрки наших отечественных сетевых (в смысле питания от сети 220В) калькуляторов. Жаль, не сохранилось у меня целых аппаратов такого типа тех времён...

Но несколько плат именно от калькуляторов в моей коллекции раратетов всё же имеется (фото 13 печатные платы от калькуляторов ).

А вот фото (фото 14) плат контроллеров от наших отечественных ЭВМ конца 80-х, начала 90-х годов прошлого века. Собраны они, практически, на отечественной элементной базе.

В начале 90-х я применял микросхемы 155-й серии в своих устройствах световых эффектов (фото 15).

3. КАКИЕ ОНИ, МИКРОСХЕМЫ?
Микросхемы бывают АНАЛОГОВЫЕ и ЦИФРОВЫЕ.

3.1. АНАЛОГОВЫЕ микросхемы предназначены, ясен пень, для обработки аналоговых сигналов (см. мои статьи о способах записи и воспроизведения звука). Иначе говоря, входной и выходной сигналы таких микросхем меняются НЕПРЕРЫВНО, или, выражаясь научно, по закону непрерывной функции (рис. 16).
Спектр применения аналоговых микросхем был довольно широк до недавнего времени. Однако постепенно они вытесняются цифровыми микросхемами.

Ниже приведён далеко неполный список устройств, функции которых выполняют аналоговые микросхемы. Зачастую одна микросхема заменяет сразу несколько устройств (например, К174ХА42 вмещает в себя все узлы супергетеродинного ЧМ-радиоприёмника).
(рис. 17 схема приёмника на одной микросхеме) (фото 18 микросхема К174ХА2)

ПОЯСНЯЮ, что в данной статье я не рассматриваю принципы функционирования тех или иных микросхем, для этого имеется довольно много специальных, профессиональных (и не очень!) сетевых ресурсов и соответствующей литературы. Я привожу некоторые электрические схемы МИКРОСХЕМ с целью показать, из каких и скольких именно компонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов) они состоят и как "вписываются" в то или иное устройство.

В настоящее время на многочисленных сайтах молодёжь пытаются привлечь именно простотой создания тех или иных конструкций на интегральных микросхемах: мол, подсоедините пару-тройку деталей, подадите питание и получите желаемый результат! Остаётся приложить минимум физических усилий, и результат «на лице». Но где работа интеллекта? Где творческие искания по настройке и налаживанию?
Как поётся в одной старой песне:

Нажми на кнопку - получишь результат,
И твоя мечта осуществится.
Нажми на кнопку, но что же ты не рад?
Тебе больше не к чему стремиться…

Группа «Технология» (фото 19), песня «Нажми на кнопку», 1994 г.
Кстати, это далеко не единственная группа тех лет, в песнях которой был смысл, а не слюнявые любовные причитания, как у абсолютного большинства современных «групп». Но это совсем другая тема…

Итак, АНАЛОГОВЫЕ микросхемы выполняют функции:
операционных усилителей;
компараторов;
генераторов сигналов;
различных фильтров;
аналоговых умножителей;
аналоговых аттенюаторов и регулируемых усилителей;
стабилизаторов источников питания (напряжения и тока);
микросхем управления импульсных блоков питания;
преобразователей сигналов;
схем синхронизации;
различных датчиков.
Аналоговые микросхемы применялись и применяются в аппаратуре звукоусиления и звуковоспроизведения, в видеомагнитофонах, телевизорах, технике связи, измерительных приборах, аналоговых вычислительных машинах (АВМ), вторичных источниках электропитания и т.д.
Практические примеры:
1. Приёмник на одной микросхеме К118УС1Б (К118УН1Б) или К122УС1Б (К122УН1Б)
(рис. 20 схема приёмника на одной МС и рис. 21 схема самой МС)

2. Приёмник прямого усиления на микросхеме К2ЖА372
(рис. 22 схема приёмника на одной МС и рси. 23 схема самой МС)

3. Приёмник на трёх микросхемах: 2 х К101КТ1 + 1 х К174УН4Б
(рис. 24 схема приёмника на 3х МС, рис. 25 и рис. 26 схема самих МС)

4. Усилитель НЧ на одной микросхеме к140УД1А и двух транзисторах МП38А (ГТ404Г), МП42Б (ГТ404Г)
(рис. 27 схема усилителя на одной МС и рис. 28 схема самой МС)

5. Усилитель НЧ на микросхеме К174УН4
(рис. 29 схема усилителя на одной МС, схема самой МС см. пример 3)

6. Усилитель НЧ на микросхеме К174УН7
(рис. 31 схема усилителя на одной МС и рис. 32 схема самой МС)

3.2. ЦИФРОВЫЕ микросхемы предназначены, соответственно, для обработки дискретных (прерывистых) сигналов. Также можно сказать, что входной и выходной сигналы таких микросхем меняются ДИСКРЕТНО, или, выражаясь научно, по закону дискретной функции (рис. 33)
Микросхемы данного типа применяются для построения цифровых вычислительных машин (ЦВМ), а также цифровых узлов измерительных приборов, аппаратуры автоматического управления, связи и т. д.

Для примера рассмотрим одну из микросхем 155-ой серии – К155ЛА3 (фото 34), которая содержит четыре логических элемента 2И-НЕ.

А вот схема одного элемента 2И-НЕ (рис. 35):

2. Генератор световых импульсов
(рис. 37) с сайта, например, http://radiomaster.com.ua/

3. Схема имитации поочередно мигающих светофоров (например, на макете переезда через железную дорогу).
(рис. 38) с сайта http://hottroad.narod.ru/main_el.htm

5. Автомобильный тахометр (рис. 40) с сайта http://radiostorage.net/

6. Стабилизатор напряжения (рис. 41) с сайта http://electronics-lab.ru/blog/
(там есть ещё несколько схем с использованием К155ЛА3).

10. Регулятор мощности паяльника 42 В (рис. 45) с сайта http://www.radioland.net.ua/

4. СТЕПЕНЬ ИНТЕГРАЦИИ

Когда-то давно в СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержали несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.
На какое бы современное электронное устройство вы ни устремили свой взгляд, почти на 100% вы найдёте в нём цифровые микросхемы (рис. 46). Возьмём в качестве примера бытовые приборы: утюг, стиральная машина, микроволновка, посудомоечная машина, холодильник, электрическая и газовая плита, электрочайник, телевизор, видеокамера, музыкальный центр, диктофон, фотоаппарат, МР3-плеер, фотоаппарат, мобильный телефон, фоторамка, калорифер, домашняя метеостанция, люстра с ДУ – все они содержат микропроцессоры, микроконтроллеры и, возможно, соответствующие чипсеты. Кроме того, автонавигаторы, видеорегистраторы, устройства автосигнализации, бортовые автокомпьютеры, планшетники, ноутбуки, модемы, спутниковые ресиверы – всего и не перечислишь…
Разные микросхемы содержат различное количество электронных компонентов, следовательно, имеют разную степень интеграции.
Посмотрим, как росло количество элементов в полупроводниковом кристалле на примере компьютерных процессоров.

Самый первый процессор Intel 4004 (1971 год): 2300 элементов (фото 47)

+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
Далее – процессоры, которые были в разное время в компьютерах в моих кабинетах информатики.
В компьютере «Дельта» – процессор Z80: 8 500 транзисторов (фото 48)

В компьютере БК-0010Ш – процессор КМ1801ВМ1: 120 000 транзисторов (фото 49)

В компьютере ДВК-3МШ – процессор КМ1801ВМ2: 120 000 транзисторов (фото 50)

В компьютере ЕС-1842 – процессор К1810ВМ86М – 145 000 тразисторов (фото 51)

Процессор 80486DX: 1 200 000 транзисторов (фото 54)

Процессор 80486DX4: 1 600 000 транзисторов (фото 55)

Процессор Pentium (классический, 66 МГц): 3 100 000 транзисторов (фото 56)

Процессор Pentium ММХ (166 и 233 МГц): 4 000 000 транзисторов (фото 57)

Процессор Pentium PRO (200 МГц): 6 000 000 транзисторов (фото 58)

Процессор Pentium II (266 и 300 МГц): 7 500 000 транзисторов (фото 59)

Процессор Celeron (Pentium II-based, 333 и 500 МГц): 19 000 000 транзисторов (фото 60)

Процессор Pentium III (533, 667 и 800 МГц): 28 100 000 транзисторов (фото 61)

Процессор Celeron (Pentium III базирующийся на ядре Coppermine, 700 МГц) - 28 100 000 транзисторов (фото 62)

Процессор Pentium М (1,4 и 1,7 ГГц): 77 000 000 транзисторов (фото 63)

Процессор Pentium 4 (1,5 и 2 и 2,2 и 2,4 ГГц): 55 000 000 транзисторов (фото 64)

Были и другие, но всех не упомнить уже…

+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
Более современный процессор Intel Core 2 Duo (2007 год): 291 000 000 элементов (фото 65)

Процессоры Core i3, i5, i7 представлены в таблице: (рис. 66)

Первая микросхема Джека Килби отличается от современных процессоров примерно так же, как отличается хутор Агафьи Лыковой от современного мегаполиса (фото 67, 68, 47, 69 ):

Хутор и Мегаполис

Казалось бы, что совершенству технологий человеческих нет предела.
Но это не совсем так.
Считается, что кора головного мозга человека содержит примерно 100 000 000 000 (сто миллиардов – число сопоставимо с числом звёзд в нашей Галактике! рис. 70) нейронов при толщине 2-3 мм и площади поверхности около 2,2 кв. дм. Каждый нейрон связан с 1000 – 10 000 других нейронов. Именно благодаря мозгу создаются все современные технологические «чудеса». И никто вам точно (если говорить серьёзно) не скажет, когда и какими средствами будет создан электронный «аналог» мозга, способный быть не только формальным исполнителем, но и уметь формулировать задачи и решать их. Кстати, это проблема уже не только (и не столько!) электроники, сколько программного обеспечения – создания искусственного интеллекта.

На сайте
http://24gadget.ru/
(11 ноября 2013г) говорится о проекте суперкомпьютера, который, возможно, будет симулировать работу человеческого мозга.
Фото с этого сайта:

Фото 71: Нейроморфный чип, содержащий 384 «нейрона» и 100 000 «синапсов», работает примерно в 100 тыс. раз быстрее, чем биологический аналог. Возможно, подобные микросхемы станут основой будущего суперкомпьютера.

Фото 72: Плата SpiNNaker с 48-ю узлами и 864 процессорными ядрами ARM, способна в реальном времени

обсчитывать модель процессов, происходящие в мозгу пчелы (фото 73).
Система масштабируемая, возможно соединение вместе множества плат SpiNNaker.

Не стоит верить журналистам и телекомментаторам, в сообщениях которых проскакивает иногда информация о киборгах и искусственном интеллекте. Это лишь журналистские уловки, погоня за дешёвой сенсацией или, скорее всего, дилетантизм, некомпетентность. Такой «журналистский» искусственный интеллект не дотягивает даже до «интеллекта» примитивной букашки (фото74), полноценную электронно-механическую копию которой – робота – пока ещё никому создать не удалось. Ведь для создания робота-букашки не достаточно сделать её механическую копию с множеством сервоприводов. Надо ещё создать и запрограммировать «электронный мозг», который способен чётко реагировать на окружающую обстановку и управлять всеми сервомоторами. Потребление пищи можно заменить подзарядкой аккумуляторов. А чем заменить или как запрограммировать процесс размножения? А ведь я говорю, пока что, о БУКАШКЕ!

P.S. Как сказал классик: «Нельзя объять необъятное». А я и не пытался это сделать...

Дискре́тность (от лат. discretus — разделённый, прерывистый) — свойство, противопоставляемое непрерывности, прерывность.

Варистор – полупроводниковый (переменный) резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения. То есть он обладает нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеет два вывода. Варистор обладает свойством резко уменьшать свое сопротивление с единиц ГОм до десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений.

Интегрированы – значит, объединены в единое целое. В данном случае – в один полупроводниковый кристалл.

«Достать» в те времена не значило «украсть». Нисколько не зазорным считалось вынести с завода несколько радиодеталей, если они нужны для ремонта или для творчества.

«Микросхема» – это слово я буду применять в дальнейшем вместо, например, «интегральная микросхема», поскольку такое словосочетание, на мой взгляд, аналогично выражениям «мокрая вода» или «масляное масло».

Степень интеграции – это количество элементов (например, транзисторов) в микросхеме (одно из наиболее простых определений).

СССР – Союз Светских Социалистических Республик – бывшая сверхдержава, которая распалась в 90-х годах прошлого века на Россию и страны «ближнего зарубежья».

ДУ – дистанционное управление.

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах.

Микроконтроллер — устройство управления в электронике и вычислительной технике.

Чипсет (англ. chipset) — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо определённых функций.