Historie Počítačů Počítače Se Vývojově Rozdělují Do Tzv
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
Historie počítačů Počítače se vývojově rozdělují do tzv. generací, kde každá generace je charakteristická svou konfigurací, rych- lostí počítače a základním stavebním prvkem. Generace počítačů (pozor, ne procesorů) Generace Rok Konfigurace Rychlost (operací/s) Součástky 0. 1940 Velký počet skříní Jednotky Relé 1. 1950 Desítky skříní 100 - 1000 Elektronky 2. 1958 do 10 skříní Tisíce Tranzistory 3. 1964 do 5 skříní Desetitisíce Diskrétní integrované obvody 1 3. /2 1972 1 skříň Statisíce Integrované obvody (LSI) 4. 1981 1 skříň desítky milionů Integrované obvody (VLSI) 0. generace: Historie vývoje samočinných počítačů se začíná odvíjet počátkem 40. let 20. století. V roce 1941 kon- struuje v Německu Konrad Zuse malý reléový samočinný počítač Zuse Z4. Nedaří se mu však vzbudit pozornost armády, proto tento počítač upadá v zapomnění a je později při jednom z náletů zničen. Rov- něž ve Spojených státech se pracovalo na takovémto zařízení. V roce 1943 uvedl Howard Aiken z harwardské univerzity do provozu svůj reléový počítač Mark 1 sestrojený za podpory firmy IBM. Tento počítač byl pravděpodobně použit k výpočtům první atomové bomby. 1. generace: První generace počítačů přichází s objevem elektronky, jejímž vynálezcem byl Lee De Forest a která dovoluje odstranění pomalých a nespolehlivých mechanických relé. Tyto počítače jsou vybudo- vány prakticky podle von Neumannova schématu a je pro ně charakteristický diskrétní režim práce. Při tomto zpracování je do paměti počítače zaveden vždy jeden program a data, s kterými pracuje. Poté je spuštěn výpočet, v jehož průběhu již není možné s počítačem interaktivně komunikovat. Po skončení výpočtu musí operátor do počítače zavést další program a jeho data. Diskrétní režim práce se v bu- doucnu ukazuje jako nevhodný, protože velmi plýtvá strojovým časem. Důvodem tohoto jevu je "po- malý" operátor, který zavádí do počítače zpracovávané programy a data. V tomto okamžiku počítač ne- pracuje a čeká na operátora. V této době neexistují vyšší programovací jazyky, z čehož vyplývá vysoká náročnost při vytváření no- vých programů. Neexistují ani operační systémy. Eniac byl samozřejmě naprostý unikát kompatibilní maximálně sám se sebou (minimálně do doby, než se program „předrátoval“) 2. generace: Druhá generace počítačů nastupuje s tranzistorem, jehož objevitelem byl John Barden a který do- volil díky svým vlastnostem zmenšení rozměrů celého počítače, zvýšení jeho rychlosti a spolehlivosti a snížení energetických nároků počítače. Pro tuto generaci je charakteristický dávkový režim práce. Při dávkovém režimu práce je snaha nahradit pomalého operátora tím, že jednotlivé programy a data, kte- rá se budou zpracovávat, jsou umístěna do tzv. dávky a celá tato dávka je dána počítači na zpracování. Počítač po skončení jednoho programu okamžitě z dávky zavádí program další a pokračuje v práci. V té- to generaci počítačů také začínají vznikat operační systémy a první programovací jazyky, jako jsou COBOL a FORTRAN. 3. , 3,5 a 4. generace: Počítače třetí a vyšších generací jsou vybudovány na integrovaných obvodech, které na svých čipech integrují velké množství tranzistorů. U této generace se začíná objevovat paralelní zpracování více programů, které má opět za úkol zvýšit využití strojového času počítače. Je totiž charakteristické, že jeden program při své práci buď intenzivně využívá CPU (provádí složitý výpočet), nebo např. spíše využívá V/V zařízení (zavádí data do operační paměti, popř. provádí tisk výstupních dat). Takové pro- gramy pak mohou pracovat na počítači společně, čímž se lépe využije kapacit počítače. S postupným vývojem integrovaných obvodů se neustále zvyšuje stupeň integrace (počet integrova- ných členů na čipu integrovaného obvodu). Podle počtu takto integrovaných součástek je možné rozlišit následující stupně integrace: Označení Anglický název Český název Počet logických členů SSI Small Scale Integration Malá integrace 10 MSI Middle Scale Integration Střední integrace 10 - 100 LSI Large Scale Integration Vysoká integrace 1000 - 10000 VLSI Very Large Scale Integration Velmi vysoká integrace 10000 a více Integrované obvody Základním stavebním prvkem počítače jsou až do dnešní doby integrované obvody. Tyto obvody je možné vy- rábět pomocí různých technologií, z nichž každá má svůj základní stavební prvek a díky němu poskytuje speci- fické vlastnosti: TTL (Transistor Transistor Logic): rychlá, ale drahá technologie. Jejím základním stavebním prvkem je bipolární tranzistor. Její nevýhodou je velká spotřeba elektrické energie a z toho vyplývající velké zahří- vání se takovýchto obvodů. PMOS (Positive Metal Oxid Semiconductor): technologie používající unipolární tranzistor MOS s pozitiv- ním vodivostním kanálem. Díky tomu, že MOS tranzistory jsou řízeny elektrickým polem a nikoliv elek- trickým proudem jako u technologie TTL, redukuje nároky na spotřebu elektrické energie. Jedná se však o pomalou a dnes nepoužívanou technologii. NMOS (Negative Metal Oxid Semiconductor): technologie, která využívá jako základní stavební prvek unipolární tranzistor MOS s negativním vodivostním kanálem. Tato technologie se používala zhruba do začátku 80. let. Jedná se o levnější a efektivnější technologii než TTL a rychlejší než PMOS. CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor): technologie spojující v jednom návrhu prvky tran- zistorů PMOS i NMOS. Tyto obvody mají malou spotřebu a tato technologie je používána pro výrobu velké čáti dnešních moderních integrovaných obvodů. BiCMOS (Bipolar Complementary Metal Oxid Semiconductor): nová technologie spojující na jednom či- pu prvky bipolární technologie i technologie CMOS. Používána zejména firmou Intel k výrobě mikro- procesorů. Technologie výroby polovodičů (diod, tranzistorů a integrovaných obvodů). Postup výroby procesoru Intel (obrázky a původně anglický text byly převzaty z původního zdroje.) 1. Surovina – křemičitý písek Písek. Obsahuje 25 procent křemíku, je, vedle kyslíku, druhým nejčastěji vyskytujícím se chemickým prvkem v Zemském po- vrchu. Písek, který je speciálně krystalický, má vysoké procento křemíku ve formě oxidu křemičitého (SiO2) a je základní surovi- nou pro výrobu polovodičů. Křemičitý písek 2. Čištění a růst monokrystalu (ingotu) Ze surového písku se postupně odděluje křemík, a přebytečný ma- teriál se odstraní. Křemík se čistí v několika krocích a nakonec do- sáhne kvality potřebné k výrobě polovodičů, která se nazývá elek- tronický stupeň křemíku. Výsledná čistota je tak velká, že elektro- nický stupeň křemíku může mít pouze jeden cizí atom na každou jednu miliardu atomů křemíku. Po procesu čištění, křemík vstupuje do procesu tavení. Na tomto obrázku můžete vidět, jak jeden velký krystal vvyrůstá z taveniny čistého křemíku.Výsledný mono-krystal se nazývá ingot. Růst křemíkového ingotu z taveniny 3. Monokrystalový Ingot Monokrystalový ingot je vyroben z křemíku elektronického stupně. Ingot váží přibližně 100 kilogramů a má a křemíkovou čistotu na 99.99999 procent. Křemíkový ingot 4. Řezání ingotu Ingot přichází do procesu řezání, kde jsou z něho dia- mantovým kotoučem řezány tenké plátky, nazývané wa- fers (oplatky). Některé ingoty mohou mít výšku přes 5 stop. Existují i různé průměry ingotů a jsou závislé na potřebném rozměru plátku. V současnosti, plátky pro CPU jsou většinou vyráběny o průměru 300 mm. Řezání destiček (wafers) z ingotu křemíku 5. Leštění destiček Po řezu jsou destičky leštěny, dokud nemají bez- chybný, zrcadlově lesklý povrch. Intel nevyrábí své vlastní ingoty nebo plátky (wafers), místo toho naku- puje výrobně připravené plátky (wafers) od jiných specializovaných výrobních společností. Intel používá ke zpracování destiček (wafers) pokročilou 45 nm High-K/Metal Gate technologii a používá destičky (wafers) s průměrem 300 mm (12 inch). Když Intel poprvé začal vyrábět čipy, jejich základové destičky byly o průměru 50 mm (2 inch). V současnosti, Intel používá 300 mm destičky (wafers), z důvodu snížení výrobní ceny. Křemíková destička - wafer 6. Nanášení fotocitlivé emulze Modrá tekutina na obrázku, je fotocitlivá vrstva podobná té která se používá na fil- mech ve fotografii. Plátek (wafer) se roztočí a během otáčení se středovým trnem přivádí fotoemulze. Ta je vlivem odstředivé síly rov- noměrně rzprostřena na povrchu ve velmi tenké vrstvě. modrý povrch – nanesená fotoemulze 7. Expozice UV zářením V tomto kroku je fotocitlivá vrstva vyvolána ultrafialovým (UV) světlem. Chemická re- akce vyvolaná UV světlem je podobná jako ve filmovém materiálu ve fotoaparátu v okamžiku kdy stisknete spoušť. Oblasti fo- toresistu na destičce, které byly osvětleny UV světlem se stanou rozpustnými. Expozice destičky je prováděna s použitím s masky, která funguje jako šablona. Když masku osvítíme UV světlem, maska vytváří různé obvodové útvary. K sestavení, zvláště CPU, je nutné opakovat tento proces znovu a znovu a tím skládat mnoho obvodových vrs- tev na sebe. Čočka (uprostřed) zmenší ob- raz masky do malého ostrého bodu. Vý- sledný "tisk" na plátku (wafer) je typicky čtyřikrát menší než je obraz na masce. expozice povrchu destičky Detailní popis fotolitografického procesu na jednom tranzistoru: 1. Detail expozice jednoho tranzistoru Obrázek ukazuje jeden tranzistor tak, jako kdybychom ho vidě- li pouhým okem. V počítačovém čipu tranzistor pracuje jako spínač, řídící tok elektrického proudu. Expozice fotorezistu 2. Odplavení fotorezistu rozpouštědlem Po expozici UV světlem, se osvětlené modré části fotorezistu kompletně rozpustí rozpouštědlem. Po odplavení se ve zbylém fotorezistu ukáže obraz vytvořený maskou. V tomto okamžiku začínají vznikat