Давайте вернемся к истории возникновения процессоров.
В 60-х годах никто и не предполагал, что информационная революция скоро начнется. Более того, даже сами энтузиасты компьютерного дела, уверенные, что за компьютерами будущее, довольно туманно представляли себе это самое красочное будущее. Многие открытия, которые практически перевернули мир и представление общественности о современном мироустройстве, появились как бы сами собой, по мановению волшебной палочки, без какого-либо предварительного планирования. Характерна в этой связи история разработки первого в мире микропроцессора.
Покинув Fairchild Semiconductor, Роберт Нойс (Robert Noyce) и автор небезызвестного закона Гордон Мур (Gordon Moore) решили основать собственную компанию (подробнее о Fairchild Semiconductor см. статью "Белокурое дитя" в Upgrade #39 (129) за 2003 год). Нойс сел за печатную машинку и напечатал бизнес-план будущего кита IT-промышленности, которому суждено изменить мир. Вот полный текст этого бизнес-плана.
"Компания будет участвовать в исследованиях, разработке, изготовлении и продаже интегрированных электронных структур, чтобы удовлетворять потребность промышленности в электронных системах. Они будут включать в себя полупроводниковые устройства в тонкой и толстой оболочке и другие компоненты твердого тела, используемые в гибридных и монолитных интегрированных структурах.
Разнообразие процессов будет установлено на лабораторном и производственном уровнях. Они включают: выращивание кристаллов, разрезание, напуск, полировку, диффузию твердого тела, фотолитографическое маскирование и гравирование, вакуумное напыление, покрытие оболочкой, сборку, упаковку, тестирование. А также разработку и изготовление специальных технологий и испытание оборудования, требующегося для выполнения указанных процессов.
Изделия могут включать диоды, транзисторы, устройства с полевым эффектом, фоточувствительные элементы, лучеиспускающие устройства, интегральные схемы и подсистемы, обычно характеризующиеся фразой "масштабируемая интеграция с запаздыванием". Основными пользователями этих продуктов, как ожидается, будут производители передовых электронных систем для коммуникации, радаров, контроля и обработки данных. Ожидается, что большинство этих клиентов будут расположены за пределами Калифорнии".
По всему видно, что Нойс и Мур были оптимистами, раз предполагали, что хоть кто-то на основе этого текста сможет понять, чем, собственно, будет заниматься компания. Из текста бизнес-плана, однако, видно, что производством микропроцессоров заниматься не предполагалось. Впрочем, никто другой в то время ни о каких микропроцессорах не помышлял. Да и самого слова-то тогда не было, ибо центральный процессор любой ЭВМ того периода представлял собой довольно сложный агрегат немалого размера, состоящий из нескольких узлов.
На момент составления этого прожекта никто не мог, конечно, предсказать, какие он принесет доходы. Как бы там ни было, а в поисках кредита Нойс и Мур обратились к Артуру Року (Arthur Rock) - финансисту, который ранее помог создать Fairchild Semiconductor. И через два дня, как в сказке, компаньоны получили два с половиной миллиона долларов. Это даже по сегодняшним меркам немалые деньги, а в 60-х годах прошлого века это было прямо-таки целое состояние. Если бы не высокая репутация Нойса и Мура, то вряд ли они так легко получили бы требуемую сумму. Но что хорошо в США - там всегда имеются в наличии рисковые капиталисты, готовые вложить доллар-другой в перспективный бизнес, связанный с новыми технологиями. Собственно, на этом и покоится могущество этой страны. В современной России, которая, как почему-то считается, идет по пути США, таких капиталистов - днем с огнем…
Итак, дело, можно сказать, было в шляпе. Настала очередь самого приятного момента - выбора для будущего флагмана IT-индустрии. Первое пришедшее в голову название было название, составлено из имен отцов - основателей компании - Moore Noyce. Однако товарищи подняли их на смех. На взгляд "экспертов", такое название произносилось бы всеми не иначе как more noise ("много шума"), что для компании, продукция которой должна была использоваться в радиопромышленности, было хуже некуда. Составили список, в котором попадались такие слова, как COMPTEK, CALCOMP, ESTEK, DISTEK и т. п. В результате Мур и Нойс выбрали название, являющееся сокращением от "интегрированная электроника", - Intel.
Их ждало разочарование - это название уже кто-то зарегистрировал ранее для сети мотелей. Но, имея два с половиной миллиона долларов, несложно выкупить понравившееся название. Так компаньоны и поступили.
В конце 60-х годов большинство ЭВМ были оборудованы памятью на магнитных сердечниках, и своей миссией такие компании, как Intel, считали повсеместное внедрение "кремниевой памяти". Поэтому самым первым изделием, которое запустила в производство компания, была "микросхема 3101" - 64-разрядная биполярная статическая оперативная память, основанная на барьерном диоде Шоттки (см. врезку "Вальтер Шоттки").
Вальтер Шоттки
Бинарные диоды Шоттки названы в честь немецкого физика швейцарского происхождения Вальтера Шоттки (Walter Shottky, 1886-1976). Шоттки долго и плодотворно работал на ниве электропроводимости. В 1914 году он открыл явление возрастания тока насыщения под действием внешнего ускоряющего электрического поля ("эффект Шоттки") и разработал теорию этого эффекта. В 1915 году он изобрел электронную лампу с экранной сеткой. В 1918 году Шоттки предложил супергетеродинный принцип усиления. В 1939 году он исследовал свойства потенциального барьера, который возникает на границе полупроводник-металл. В результате этих исследований Шоттки разработал теорию полупроводниковых диодов с таким барьером, которые получили название диодов Шоттки. Вальтер Шоттки внес большой вклад в изучение процессов, протекающих в электролампах и полупроводниках. Исследования Вальтера Шоттки относятся к физике твердого тела, термодинамике, статистике, электронике, физике полупроводников.
В первый год после своего создания (1969) Intel принесла своим владельцам ни много ни мало 2672 доллара прибыли. До полного погашения кредита оставалось совсем чуть-чуть.
4 вместо 12
Сегодня Intel (как, впрочем, и AMD) производит чипы в расчете на рыночные продажи, но в первые годы своего становления компания нередко делала микросхемы на заказ. В апреле 1969 года в Intel обратились представители японской фирмы Busicom, занимающейся выпуском калькуляторов. Японцы прослышали, что у Intel самая передовая технология производства микросхем. Для своего нового настольного калькулятора Busicom хотела заказать 12 микросхем различного назначения. Проблема, однако, заключалась в том, что ресурсы Intel в тот момент не позволяли выполнить такой заказ. Методика разработки микросхем сегодня не сильно отличается от той, что была в конце 60-х годов XX века, правда, инструментарий отличается весьма заметно.
В те давние-давние годы такие весьма трудоемкие операции, как проектирование и тестирование, выполнялись вручную. Проектировщики вычерчивали черновые варианты на миллиметровке, а чертежники переносили их на специальную вощеную бумагу (восковку). Прототип маски изготовляли путем ручного нанесения линий на огромные листы лавсановой пленки. Никаких компьютерных систем обсчета схемы и ее узлов еще не существовало. Проверка правильности производилась путем "прохода" по всем линиям зеленым или желтым фломастером. Сама маска изготавливалась путем переноса чертежа с лавсановой пленки на так называемый рубилит - огромные двухслойные листы рубинового цвета. Гравировка на рубилите также осуществлялась вручную. Затем несколько дней приходилось перепроверять точность гравировки. В том случае, если необходимо было убрать или добавить какие-то транзисторы, это делалось опять-таки вручную, с использованием скальпеля. Только после тщательной проверки лист рубилита передавался изготовителю маски. Малейшая ошибка на любом этапе - и все приходилось начинать сначала. Например, первый тестовый экземпляр "изделия 3101" получился 63-разрядным.
Словом, 12 новых микросхем Intel физически не могла потянуть. Но Мур и Нойс были не только замечательными инженерами, но и предпринимателями, в связи с чем им сильно не хотелось терять выгодный заказ. И тут одному из сотрудников Intel, Теду Хоффу (Ted Hoff), пришло в голову, что, раз компания не имеет возможности спроектировать 12 микросхем, нужно сделать всего одну универсальную микросхему, которая по своим функциональным возможностям заменит их все. Иначе говоря, Тед Хофф сформулировал идею микропроцессора - первого в мире. В июле 1969 года была создана группа по разработке, и работа началась. В сентябре к группе присоединился также перешедший из Fairchild Стэн Мазор (Stan Mazor). Контролером от заказчика в группу вошел японец Масатоси Сима (Masatoshi Shima). Чтобы полностью обеспечить работу калькулятора, необходимо было изготовить не одну, а четыре микросхемы. Таким образом, вместо 12 чипов требовалось разработать только четыре, но один из них - универсальный. Изготовлением микросхем такой сложности до этого никто не занимался.
Итальяно-японское содружество
В апреле 1970 года к группе по выполнению заказа Busicom присоединился новый сотрудник. Он пришел из кузницы кадров для Intel - компании Fairchild Semiconductor. Звали нового сотрудника Федерико Фэджин (Federico Faggin). Ему было 28 лет, но уже почти десять лет он занимался созданием компьютеров. В девятнадцать лет Фэджин участвовал в построении мини-ЭВМ итальянской компании Olivetti. Затем он попал в итальянское представительство Fairchild, где занимался разработкой нескольких микросхем. В 1968 году Фэджин покинул Италию и перебрался в США, в лабораторию Fairchild Semiconductor в Пало-Альто.
Стэн Мазор показал новому члену группы общую спецификацию проектируемого набора микросхем и сказал, что на следующий день прилетает представитель заказчика.
Federico Faggin
Утром Мазор и Фэджин поехали в аэропорт Сан-Франциско встречать Масатоси Симу. Японцу не терпелось увидеть, что именно сделали люди из Intel за несколько месяцев его отсутствия. Приехав в офис, Мазор оставил итальянца и японца с глазу на глаз, а сам благоразумно испарился. Когда Сима посмотрел документы, которые ему протянул Фэджин, то его чуть Кондратий не хватил: за четыре месяца "интеловцы" не сделали ровным счетом ничего. Сима ожидал, что за это время уже закончится прорисовка схемы чипов, а увидел только концепцию в том виде, которая была на момент его отъезда в декабре 1969 года. Дух самурая вскипел, и Масатоси Сима дал выход своему возмущению. Не менее темпераментный Фэджин объяснил Симе, что если тот не успокоится и не поймет, что они в одной лодке, - проекту полный капут. На японца произвели впечатления доводы Фэджина и то, что он, собственно, работает в компании всего несколько дней и не несет ответственность за срыв графика. Таким образом, Федерико Фэджин и Масатоси Сима стали вместе работать над проектированием схем чипов.
К этому времени, однако, руководство компании Intel, которое смотрело на этот заказ Busicom как на очень интересный и в чем-то авантюрный, но все-таки не самый важный эксперимент, переключило группу Хоффа и Мазора на изготовление "изделия 1103" - микросхемы DRAM емкостью 1 кбит.
Intel 1103 DRAM chip, c. 1970
На тот момент именно с изготовлением чипов памяти руководство Intel связывало будущее благополучие компании. Оказалось, что Федерико Фэджин был руководителем проекта, в котором, кроме него, никого не было (Сима, как представитель заказчика, участвовал лишь эпизодически). Фэджин в течение недели создал новый, более реалистичный проектный график и показал его Симе. Тот улетел в Японию в штаб-квартиру Busicom. Японцы, узнав все детали, хотели было отказаться от сотрудничества с Intel, но все-таки передумали и отослали Масатоси Симу обратно в США с целью максимально помочь и ускорить создание набора микросхем.
В конечном итоге группа кроме Фэджина пополнилась одним электротехником и тремя чертежниками. Но основная тяжесть работы все равно легла на руководителя. Первоначально группа Фэджина взялась за разработку чипа 4001 - микросхемы ROM.
Обстановка была весьма нервозной, поскольку никто до них не делал изделий такой сложности. Все приходилось проектировать вручную с нуля. Помимо проектирования чипа параллельно нужно было изготавливать тестовое оборудование и разрабатывать программы тестирования.
Порой Фэджин пропадал в лаборатории по 70-80 часов в неделю, не уходя домой даже на ночь. Как он позднее вспоминал, ему весьма повезло, что в марте 1970 года у него родилась дочка и его жена на несколько месяцев уехала в Италию. В противном случае не миновать бы ему семейного скандала.
В октябре 1970 года работы по изготовлению чипа 4001 были закончены. Микросхема работала безупречно. Это повысило уровень доверия к Intel со стороны Busicom. В ноябре был готов и чип 4003 - микросхема интерфейса с периферией, самая простая из всего набора. Еще чуть позже был готов 320-битный модуль динамической памяти 4002. И вот, наконец, в конце декабря 1970 года с завода для тестирования были получены "вафли" (так американские специалисты называют кремниевые пластины, на которых "вырастили" микросхемы, но еще не разрезали). Дело было поздним вечером, и никто не видел, как у Фэджина тряслись руки, когда он загружал первые две "вафли" в пробер (специальное устройство для испытания и тестирования). Он сел перед осциллографом, включил кнопку напряжения и… ничего, линия на экране даже не дернулась. Фэджин загрузил следующую "вафлю" - тот же самый результат. Он был в полном недоумении.
Нет, конечно, никто не ожидал, что первый опытный образец устройства, которого никто в мире ранее не делал, сразу же покажет расчетные результаты. Но чтобы на выходе вообще не было сигнала - это был просто удар. После двадцати минут учащенного сердцебиения Фэджин решил рассмотреть пластины под микроскопом. И тут сразу же все выяснилось: нарушения в технологическом процессе, приведшие к тому, что некоторых межслойных перемычек на схемах не было! Это было очень плохо, график слетал, но зато Фэджин знал: ошибка произошла не по его вине. Следующая партия "вафель" поступила в январе 1971 года. Фэджин снова заперся в лаборатории и просидел в ней до четырех утра. На этот раз все работало безупречно. В течение усиленного тестирования в последующие несколько дней все же обнаружились несколько незначительных ошибок, но они были быстро исправлены. Подобно художнику, подписывающему полотно, Фэджин поставил на чип 4004 свои инициалы - FF.
Микропроцессор как товар
В марте 1971 года Intel отправила в Японию комплект для калькулятора, который состоял из одного микропроцессора (4004), двух 320-битных модулей динамической памяти (4002), трех микросхем интерфейса (4003) и четырех микросхем ROM. В апреле из компании Busicom поступило сообщение, что калькулятор работает идеально. Можно было запускать производство. Однако Федерико Фэджин начал горячо убеждать руководство Intel, что глупо ограничиваться только калькуляторами. По его мнению, микропроцессор можно было бы использовать во многих областях современного производства. Он был уверен, что набор микросхем 400x представляет самостоятельную ценность и может продаваться сам по себе. Его уверенность передалась руководству. Однако была одна загвоздочка - первый в мире микропроцессор не принадлежал Intel, он принадлежал японской фирме Busicom! Ну что тут было делать? Оставалось ехать в Японию и начинать переговоры о покупке прав на собственную разработку. Так "интеловцы" и поступили. В результате компания Busicom продала права на микропроцессор 4004 и сопутствующие микросхемы за шестьдесят тысяч долларов.
Обе стороны остались довольны. Busicom до сих пор продает калькуляторы, а Intel… Руководство компании Intel поначалу смотрело на микропроцессоры как на побочный продукт, который лишь способствует продажам главного товара - модулей оперативной памяти. Компания Intel выбросила на рынок свою разработку в ноябре 1971 года под названием MCS-4 (Micro Computer Set).
Несколько позднее Гордон Мур, оглядываясь назад, скажет по этому поводу: "Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня "Роллс-ройс" стоил бы три доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку". Конечно, если сравнивать с нынешними требованиями, у MCS-4 были далеко не сногсшибательные показатели. Да и в начале 70-х никто особо сильно не взволновался в результате появления этой продукции. В целом вычислительная система на основе набора MCS-4 не уступала самым первым ЭВМ 1950-х годов, но на дворе-то уже были другие времена, и в вычислительных центрах стояли машины, вычислительная мощь которых ушла далеко вперед.
Intel развернула специальную пропагандистскую кампанию, адресованную инженерам и разработчикам. В своих рекламных объявлениях Intel доказывала, что микропроцессоры, конечно, не являются чем-то очень серьезным, но зато их можно использовать в разных специфических областях, типа автоматизации производства. Помимо калькуляторов набор MCS-4 нашел себе применение в качестве контроллеров для таких устройств, как газовые насосы, автоматические анализаторы крови, устройства контроля уличного движения...
Что касается отца первого в мире микропроцессора, то он был сильно огорчен тем обстоятельством, что Intel никак не хочет взглянуть на новое устройство как на основной продукт. Фэджин совершил несколько туров по США и Европе, выступая в научных центрах и передовых заводах, пропагандируя микропроцессоры. Подчас его и компанию Intel поднимали на смех.
Действительно, уж больно несерьезным тогда выглядела вся эта микропроцессорная затея. Фэджин поучаствовал и в проекте 8008 - создании восьмибитного микропроцессора, который во многом повторял архитектуру 4004. Однако постепенно в нем нарастало чувство обиды за то, что в компании к нему относятся как просто к хорошему инженеру, справившемуся со сложной, но не очень важной работой. Но он-то знал, что фактически совершил мировую революцию.
В октябре 1974 года Федерико Фэджин покинул Intel и основал свою собственную компанию Zilog, Inc. В апреле следующего года в Zilog из Busicom перешел Масатоси Сима. И друзья приступили к проектированию нового процессора, который должен был стать самым лучшим в мире. В мае 1976 года на рынке появился микропроцессор Z80 компании Zilog.
Процессор Z80 был очень успешным проектом и серьезно потеснил на рынке процессоры Intel 8008 и 8080. В середине 70-х - начале 80-х годов компания Zilog была для Intel приблизительно тем же, чем сегодня компания AMD - серьезным конкурентом, способным выпускать более дешевые и эффективные модели той же архитектуры. Как бы там ни было, а большинство обозревателей сходятся в том, что Z80 был самым надежным и успешным микропроцессором за всю историю микропроцессорной техники. Однако не стоит забывать, что история эта еще только начиналась…
MCS-4 - прообраз будущего
Статья о создании первого в мире микропроцессора будет неполной, если не сказать хотя бы пару слов о технических особенностях набора MCS-4. На введении цифры 4 в систему кодирования Intel настоял Федерико Фэджин. Маркетинговому отделу Intel эта идея понравилась - четверка указывала и на разрядность процессора, и на общее количество микросхем. Набор состоял из четырех следующих чипов: 4001 - микросхема маскируемой ROM емкостью 2048 бит; 4002 - микросхема RAM емкостью 320 бит; 4003 - микросхема интерфейса, представляющая собой 10-битный сдвиговый регистр; 4004 - четырехбитный ЦПУ с набором из 45 команд. Фактически это был прообраз персонального компьютера ближайшего будущего. Рассмотрим немного подробнее функционирование этих микросхем, поскольку основные принципы их работы можно обнаружить даже в современных микропроцессорах.
В оперативной памяти (RAM) современного компьютера одновременно хранятся и выполняющиеся программы, и данные, которые они обрабатывают. В связи с этим процессор всякий раз должен знать, что именно он сейчас выбирает из памяти - команду или данные. Первому микропроцессору 4004 было проще - команды хранились только в ROM (чип 4001), а данные - в RAM (чип 4002).
Поскольку инструкции для процессора 4004 были восьмибитными, микросхема 4001 была организована в виде массива из 256 восьмибитных слов (термин "байт" тогда еще не использовался). Иначе говоря, в одной такой микросхеме могло уместиться максимум 256 инструкций центрального процессора. Микропроцессор 4004 мог работать максимум с четырьмя микросхемами 4001, следовательно, максимальное количество инструкций, которые можно было записать, не превышало 1024. Тем более что "Ассемблер" 4004 был очень простым - всего 45 команд, причем не было таких сложных команд, как умножение или деление. Вся математика зиждилась на командах ADD (прибавить) и SUB (отнять). Кто знаком с алгоритмом двоичного деления, легко поймет сложность работы программистов с процессором 4004.
Адрес и данные передавались по мультиплексируемой четырехбитной шине. Поскольку микросхема 4001 представляла собой EPROM, ее можно было перепрошивать, записывая те или иные программы. Тем самым MCS-4 настраивалась на выполнение конкретных задач.
Роль оперативной памяти отводилась чипу 4002. Обмен данными с 4002-й также осуществлялось по четырехразрядной шине. В системе на базе MCS-4 можно было использовать максимум четыре микросхемы 4002, то есть максимальный объем ОП в такой системе равнялся 1 кбайт (4 x 320 бит). Память была организована в виде четырех регистров, в каждом из которых могло размещаться двадцать четырехбитных символов (4 x 20 x 4). Поскольку при использовании четырехбитного кода можно закодировать максимум 16 символов (24), MCS-4 было бы затруднительно использовать для работы с текстовым процессором. Если говорить о калькуляторе, то кодировались десять символов от 0 до 9, четыре знака арифметических действий, десятичная точка и один символ оставался резервным. Получение данных из памяти осуществлялось процессором по инструкции SRC.
Процессор посылал две четырехбитовые последовательности X2 (D3D2D1D0) и X3 (D3D2D1D0). В последовательности X2 биты D3D2 указывали номер банка памяти (номер чипа 4002), а биты D1D0 - номер запрашиваемого регистра в этом банке (современные процессоры, кстати, при работе с памятью также указывают номер банка памяти). Вся последовательность X3 указывала номер символа в регистре. Чипы и регистры нумеровались: 00 - 1; 01 - 2; 10 - 3; 11 - 4. Например, инструкция SRC 01010000 сообщала процессору, что во втором чипе, втором регистре следует выбрать первый символ.
Весь обмен данными с внешними устройствами, такими, как клавиатура, дисплеи, принтеры, телетайпы, разного рода переключатели, счетчики, - словом, с периферией, осуществлялся через микросхему интерфейса 4003. В ней были объединены параллельный выходной порт, а также последовательный входной / выходной порт. В принципе, такой механизм обмена данными с периферией просуществовал вплоть до появления портов USB и т. п.
Основа набора - микросхема 4004 - была самым настоящим микропроцессором. Процессор содержал четырехбитный сумматор, регистр-аккумулятор, 16 индексных регистров (четырехбитных, естественно), 12 счетчиков программ и стека (четырехбитных) и восьмибитный командный регистр и декодер. Командный регистр подразделялся на два четырехбитных регистра - OPR и OPA.
Рабочий цикл происходил следующим образом. Процессор вырабатывал сигнал синхронизации SYNC. Затем посылалось 12 бит адреса для выборки из ROM (4001), которые проходили за три рабочих цикла: A1, A2, A3. В соответствии с поступившим запросом обратно в процессор посылалась восьмибитная команда за два цикла: M1 и M2. Инструкция размещалась в регистрах OPR и OPA, интерпретировалась и выполнялась за следующие три цикла: X1, X2, X3. На рисунке показан рабочий цикл процессора Intel 4004. Частота процессора 4004 первого выпуска была 0,75 МГц, так что все это происходило не очень быстро по нынешним понятиям. Весь цикл занимал порядка 10,8 секунды. Суммирование двух восьмизнаковых десятичных чисел занимало 850 секунд. За секунду Intel 4004 выполнял 60 000 операций.
Даже из краткого технического описания видно, что это был совсем слабенький процессор. Поэтому нет ничего удивительного, что мало кого в начале семидесятых годов прошлого века всполошило появление на рынке набора MCS-4. Продажи по-прежнему оставались не очень высокими. Зато пропаганда Intel откликнулась в сердцах молодых энтузиастов вроде Билла Гейтса (Bill Gates) и его друга Пола Аллена (Paul Allen), которые сразу поняли, что появление микропроцессоров открывает лично для них двери в новый мир.
Схема кодирования от Intel
(Писали в UPgrade и на NNM)
Схему цифрового кодирования изделий Intel изобрели Энди Гроув (Andy Grove) и Гордон Мур. В своем исходном виде она была весьма простой, для кодирования использовались только цифры 0, 1, 2 и 3. После того как Федерико Фэджин создал микропроцессор, он предложил ввести цифру 4, чтобы в коде отразить четырехбитную структуру его регистров. С появлением восьмибитных процессоров была добавлена цифра 8. В этой системе любое изделие получало код, состоящий из четырех цифр. Первая цифра кода (крайняя левая) обозначала категорию: 0 - контрольные чипы; 1 - микросхемы PMOS; 2 - микросхемы NMOS; 3 - биполярные микросхемы; 4 - четырехбитные процессоры; 5 - микросхемы CMOS; 7 - память на магнитных доменах; 8 - восьмибитные процессоры и микроконтроллеры. Цифры 6 и 9 не использовались.
Вторая цифра в коде обозначала тип: 0 - процессоры; 1 - микросхемы статической и динамической RAM; 2 - контроллеры; 3 - микросхемы ROM; 4 - сдвиговые регистры; 5 - микросхемы EPLD; 6 - микросхемы PROM; 7 - микросхемы EPROM; 8 - схемы синхронизации для тактовых генераторов; 9 - чипы для телекоммуникаций (появилась позднее). Две последние цифры обозначали порядковый номер данного вида изделия. Таким образом, первая микросхема, которую изготовила Intel, имевшая код 3101, расшифровывалась как "биполярная микросхема статической или динамической RAM первого выпуска".
Читайте далее эту историю по ссылкам:
История архитектуры процессора x86 Часть 2. Восемь бит
История архитектуры процессора x86 Часть 3. Далекий пращур
Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.
Корпуса
Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах - корпусном и бескорпусном.
Корпус микросхемы- этонесущая системаи часть конструкции, предназначенная для защиты от внешних воздействий и дляэлектрическогосоединения с внешними цепями посредствомвыводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологии изготовления готовых изделий.
Бескорпусная микросхема - это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтажнапечатную плату).
Специфические названия
Фирма Intel первой изготовила микросхему, которая выполняла функции микропроцессора (англ. microproccessor) - Intel 4004. На базе усовершенствованных микропроцессоров 8088 и 8086 фирма IBM выпустила свои известные персональные компьютеры)
Микропроцессор формирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи с периферией выполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет). Для первых ЭВМ число микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из одной-двух-трёх микросхем. В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PSI Express) в процессор.
Микропроцессоры со встроенными ОЗУ и ПЗУ, контроллерами памяти и ввода-вывода, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.
Правовая защита
Законодательство России предоставляет правовую охрану топологиям интегральных микросхем. Топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними (ст. 1448 ГК РФ).
Исключительное право на топологию действует в течение десяти лет. Правообладатель в течение этого срока может по своему желанию зарегистрировать топологию в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
История создания
7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС). Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий.
В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированых на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом). Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни. 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.
Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961-1962 парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964-1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар.
Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ («Микрон»). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов - эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским полупроводниковым заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год)
Интегральная микросхема (ИС) - это микроэлектронное изделие, выполняющая функции преобразования и обработки сигналов, которое характеризуется плотной упаковкой элементов так, чтобы все связи и соединения между элементами представляли единое целое.
Составной частью ИС являются элементы, которые выполняют роль электрорадиоэлементов (транзисторов, резисторов и др.) и не могут быть выделены как самостоятельные изделия. При этом активными называют элементы ИМС, выполняющие функции усиления или другого преобразования сигналов (диоды, транзисторы и др.), а пассивными - элементы, реализующие линейную передаточную функцию (резисторы, конденсаторы, индуктивности).
Классификация интегральных микросхем:
По способу изготовления:
По степени интеграции.
Степень интеграции ИС является показателем сложности, характеризуемым числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Степень интеграции определяется формулой
где k - коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего большего целого числа, а N - число элементов и компонентов, входящих в ИС.
Для количественной характеристики степени интеграции часто используют такие термины: если k ? 1, ИС называют простой ИС, если 1 < k ? 2 - средней ИС (СИС), если 2 < k ? 4 - большой ИС (БИС), если k ?4 - сверхбольшой ИС (СБИС).
Кроме степени интеграции используют еще такой показатель, как плотность упаковки элементов - количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время он составляет более 1000 элементов/мм 2 .
Пленочные интегральные схемы - это интегральные схемы, элементы которых нанесены на поверхность диэлектрического основания в виде пленки. Их особенность - в чистом виде не существуют. Служат только для изготовления пассивных элементов - резисторов, конденсаторов, проводников, индуктивностей.
Рис. 1. Структура пленочной гибридной ИС: 1, 2 - нижний и верхний обкладки конденсатора, З - слой диэлектрика, 4 - проволочная соединительная шина, 5 - навесной транзистор, 6 - пленочный резистор, 7 - контактный вывод, 8 - диэлектрическая подложка
Гибридные ИС - это тонкопленочные микросхемы, состоящие из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, контактных площадок) и дискретных активных элементов (диодов, транзисторов). Гибридная ИС, показанная на рис. 1, представляет собой диэлектрическую подложку с нанесенными на нее пленочными конденсаторами и резисторами и присоединенным навесным транзистором, база которого соединена с верхней обкладкой конденсатора шиной в виде очень тонкой проволочки.
В полупроводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности кристалла полупроводника. Полупроводниковые ИС представляют собой плоский кристалл полупроводника (подложка), в поверхностном слое которого различными технологическими приемами сформированы эквивалентные элементам электрической схемы локальные области (диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и др.), объединенные по поверхности пленочными металлическими соединениями (межсоединениями).
В качестве подложек полупроводниковых ИС служат круглые пластины кремния, германия или арсенида галлия, имеющие диаметр 60 - 150 мм и толщину 0,2 - 0,4 мм.
Полупроводниковая подложка является групповой заготовкой (рис. 2), на которой одновременно изготовляют большое количество ИС.
Рис. 2. Групповая кремниевая пластина: 1 - базовый срез, 2 - отдельные кристаллы (чипы)
После завершения основных технологических операций ее разрезают на части - кристаллы 2, называемые также чипами. Размеры сторон кристаллов могут быть от З до 10 мм. Базовый срез 1 пластины служит для ее ориентации при различных технологических процессах.
Структуры элементов полупроводниковой ИС - транзистора, диода, резистора и конденсатора, изготовляемых соответствующим легированием локальных участков полупроводника методами планарной технологии, показаны на рис. 3, а-г. Планарная технология характеризуется тем, что все выводы элементов ИС располагаются в одной плоскости на поверхности и одновременно соединяются в электрическую схему тонкопленочными межсоединениями. При планарной технологии проводится групповая обработка, т. е. в течение одного технологического процесса на подложках получают большое количество ИС, что обеспечивает высокие технологичность и экономичность, а также позволяет автоматизировать производство.
Рис. 3. Структуры элементов полупроводниковой ИС: а - транзистора, б - диода, в - резистора, г - конденсатора, 1 - тонкопленочный контакт, 2 - слой диэлектрика, З - эмиттер; 4 - база, 5 - коллектор, 6 - катод, 7 - анод, 8 - изолирующий слой; 9 - резистивный слой, 10 - изолирующий слой, 11 - пластина, 12, 14 - верхний и нижний электроды конденсатора, 13 - слой диэлектрика
В совмещенных ИС (рис. 4), являющихся вариантом полупроводниковых, на кремниевой подложке создают полупроводниковые и тонкопленочные элементы. достоинство этих схем состоит в том, что в твердом теле технологически трудно изготовлять резисторы заданного сопротивления, так как оно зависит не только от толщины легированного слоя полупроводника, но и от распределения удельного сопротивления по толщине. Доводка сопротивления до номинального значения после изготовления резистора также представляет значительные трудности. Полупроводниковые резисторы обладают заметной температурной зависимостью, что осложняет разработку ИС.
Рис. 4. Структура совмещенной ИС: 1 - пленка диоксида кремния, 2 - диод, З - пленочные внутрисхемные соединения, 4 - тонкопленочный резистор, 5, 6, 7 - верхний и нижний электроды тонкопленочного конденсатора и диэлектрик, 8 - тонкопленочные контакты, 9 - транзистор, 10 - кремниевая пластина.
Кроме того, в твердом теле также весьма трудно создавать конденсаторы. Для расширения номинальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов полупроводниковых ИС, а также улучшения их рабочих характеристик разработана основанная на технологии тонких пленок комбинированная технология, называемая технологией совмещенных схем. В этом случае активные элементы ИС (можно и некоторые некритичные по номинальному сопротивлению резисторы) изготовляют в теле кремниевого кристалла диффузионным методом, а затем вакуумным нанесением пленок (как в пленочных ИС) формируют пассивные элементы - резисторы, конденсаторы и межсоединения.
Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.
Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника про-должает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений. радиоэлектронный интегральный микросхема
Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ - позволили осуществить проектирование и промышленное производство функционально сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью. Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение во всех сферах деятельности человека.
Созданию систем автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и автоматических производственных линий, средств связи и многому другому способствует микроэлектроника.
Первый этап
К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.
Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний - детекторов.
Второй этап
Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод. За ним последовало изобретение первой усилительной лампы - триода в 1907 году.
1913 - 1919 годы - период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания.
В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт-Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР.
Третий этап
Третий период развития электроники - это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников на Кремнии и Германии. Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы - транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:
- - униполярные (полевые), где использовались однополярные носители.
- - биполярные, где использовались разнополярные носители (электроны и дырки).
Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.
Появление микроэлектроники
С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных электрорадиоэлементов и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств. Решение проблемы межсоединений и явилось предпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применение печатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблему повышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат не дает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кроме проводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральные микросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла.
Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхность диэлектрических подложек тонких пленок различных материалов (проводящих, диэлектрических, резистивных).
Четвертый этап
В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.
Семейство монолитных транзисторно-транзисторных логических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже в феврале 1960 года и получило название "микрологика". Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965-85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других.
Два директивных решения принятых в 1961-1962 гг. повлияли на развитие производства кремниевых транзисторов и ИС. Решение фирмы IBM (Нью-Йорк) по разработке для перспективной ЭВМ не ферромагнитных запоминающих устройств, а электронных ЗУ (запоминающих устройств) на базе n-канальных полевых транзисторов (металл-окисел-полупроводник - МОП). Результатом успешного выполнения этого плана был выпуск в 1973г. универсальной ЭВМ с МОП ЗУ - IBM- 370/158. Директивные решения фирмы Fairchild предусматривающие расширение работ в полупроводниковой научно-исследовательской лаборатории по исследованию кремниевых приборов и материалов для них.
Тем временем в июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший к ним специалист по химической технологии - Эндрю Гроув, использовать огромный потенциал интеграции большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле для создания новых видов электронных приборов.
В 1997 году Эндрю Гроув стал "человеком года", а возглавляемая им компания Intel, ставшая одной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производить микропроцессоры для 90% всех персональных компьютеров планеты. Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений.
Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции.
Настоящее электроники
В настоящее время микроэлектроника переходит на качественно новый уровень - наноэлектронику.
Наноэлектроника в первую очередь базируется на результатах фундаментальных исследований атомных процессов в полупроводниковых структурах пониженной размерности. Квантовые точки, или нульмерные системы, представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью, которые состоят из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице, проявляющих самоорганизацию в эпитаксиальных гетероструктурах.
Одним из возможных работ связанных с наноэлеткроникой является работы по созданию материалов и элементов ИК-техники. Они востребованы предприятиями отрасли и являются основой для создания в ближайшем будущем систем "искусственного" (технического) зрения с расширенным, по сравнению с биологическим зрением, спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфра-красной областях спектра. Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.
Введение
С момента появления первых компьютеров разработчики программ мечтали об аппаратуре, предназначенной для решения именно их задачи. Поэтому уже довольно давно появилась идея создания специальных интегральных схем, которые можно затачивать под эффективное выполнение конкретной задачи. Здесь можно выделить два пути развития:
- Использование так называемых специализированных заказных интегральных микросхем (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Как следует из названия, такие микросхемы выполняются производителями аппаратного обеспечения под заказ для эффективного выполнения некоторой конкретной задачи или круга задач. Они не обладают универсальностью, как обычные микросхемы, однако во много раз быстрее, иногда на порядки, решают поставленные перед ними задачи.
- Создание микросхем с реконфигурируемой архитектурой. Идея состоит в том, что такие микросхемы поступают к разработчику или пользователю ПО в незапрограммированном состоянии, и тот может реализовать на них ту архитектуру, которая больше всего ему подходит. Рассмотрим более подробно их процесс становления.
Со временем появлялось большое количество разнообразных микросхем с реконфигурируемой архитектурой (Рис. 1).
Рис.1 Разнообразие микросхем с реконфигурируемой архитектурой
В течение довольно длительного времени на рынке существовали только PLD (Programmable Logic Device) устройства. В этот класс выделяются устройства, которые реализуют функции, необходимые для решения поставленных задач, в виде совершенной дизъюнктивной нормальной формы (совершенной ДНФ). Первыми в 1970 году появились ППЗУ-микросхемы, которые относятся как раз к классу PLD-устройств. Каждая схема имела фиксированный массив логических функций И, подсоединенный к программируемому набору логических функций ИЛИ. Для примера рассмотрим ППЗУ с 3 входами (a,b и с) и 3 выходами (w,x и y) (Рис. 2).
Рис. 2. ППЗУ-микросхема
C помощью предопределенного массива И реализуются все возможные конъюнкции над входными переменными, которые затем могут быть произвольным образом объединены с помощью ИЛИ элементов. Таким образом, на выходе можно реализовать любую функцию от трех переменных в виде совершенной ДНФ. Например, если запрограммировать те элементы ИЛИ, которые обведены в красный кружок на рисунке 2, то на выходах получатся функции w=a&b; x=(a&b) ; y=(a&b)^c.
Изначально микросхемы ППЗУ предназначались для хранения программных инструкций и значений констант, т.е. для выполнения функций компьютерной памяти. Однако разработчики используют их также для реализации простых логических функций. В действительности ППЗУ микросхемы можно использовать для реализации любого логического блока, при условии, что он имеет небольшое количество входов. Это условие вытекает из того факта, что в ППЗУ микросхемах жестко определена матрица элементов И - в ней реализуются все возможные конъюнкции от входов, то есть число элементов И равно 2*2 n , где n - число входов. Понятно, что при увеличении числа n размер массива растет очень быстро.
Следующими в 1975 году появились так называемые программируемые логические матрицы (ПЛМ). Они являются продолжением идеи ППЗУ микросхем - ПЛМ также состоят из И и ИЛИ массивов, однако в отличие от ППЗУ оба массива программируемы. Это обеспечивает большую гибкость таких микросхем, однако они никогда не были распространены по той причине, что для похождения через программируемые связи сигналам требуется намного больше времени, чем при прохождении через их предопределенные аналоги.
Для того чтобы решить проблему скорости, свойственную ПЛМ, в конце 1970-х появилось следующий класс устройств, называемый программируемый массив логики (PAL - Programmable Array Logic). Дальнейшим развитием идеи PAL-микросхем стало появление устройств GAL (Generic Array Logic) - более сложных разновидностей PAL с использованием КМОП-транзисторов. Здесь используется идея, ровно противоположная идее ППЗУ-микросхем - программируемый массив элементов И подключается к предопределенному массиву элементов ИЛИ (Рис. 3).
Рис. 3. Незапрограммированное устройство PAL
Это накладывает ограничение по функциональности, однако в таких устройствах требуются массивы значительно меньшего размера, нежели в ППЗУ микросхемах.
Логическим продолжением простых PLD стало появление так называемых сложных PLD, состоящих из нескольких блоков простых PLD (обычно в качестве простых PLD используются PAL-устройства), объединенных программируемой коммутационной матрицей. Помимо самих блоков PLD можно было также запрограммировать связи между ними с помощью данной коммутационной матрицы. Первые сложные PLD появились в конце 70-х - начале 80-х годов 20 века, однако основное развитие этого направления пришлось на 1984 год, когда компания Altera представила сложное PLD, основанное на сочетании КМОП- и СППЗУ-технологий.
Появление FPGA
В начале 80-х годов в среде цифровых специализированных микросхем образовался пробел между основными типами устройств. С одной стороны были PLD, которые можно программировать под каждую конкретную задачу и достаточно легко изготавливать, однако они не могут быть использованы для реализации сложных функций. С другой стороны есть ASIC, которые могут реализовывать чрезвычайно сложные функции, однако обладают жестко фиксированной архитектурой, при этом их долго и дорого изготавливать. Необходимо было промежуточное звено, и таким звеном стали FPGA (Field Programmable Gate Arrays)-устройства.
FPGA, как и PLD, являются программируемыми устройствами. Главным принципиальным отличием FPGA от PLD является то, что функции в FPGA реализуются не с помощью ДНФ, а помощью программируемых таблиц соответствия (LUT-таблиц). В этих таблицах значения функции задаются с помощью таблицы истинности, из которой необходимый результат выбирается с помощью мультиплексора (рис. 4):
Рис. 4. Таблица соответствия
Каждое FPGA-устройство состоит из программируемых логических блоков (Configurable Logic Blocks - CLB), которые связаны между собой соединениями, также программируемыми. Каждый такой блок предназначен для программирования некоторой функции или ее части, однако может быть использован для других целей, например, в качестве памяти.
В первых FPGA-устройствах, разработанных в середине 80-х годов, логический блок был устроен очень просто и содержал одну 3-входовую LUT-таблицу, один триггер и небольшое количество вспомогательных элементов. Современные FPGA-устройства устроены гораздо сложнее: каждый CLB-блок состоит из 1-4 "срезов" (slice), каждый из которых содержит несколько LUT-таблиц (обычно 6-входовых), несколько триггеров и большого числа служебных элементов. Вот пример современного "среза":
Рис. 5. Устройство современного "среза"
Заключение
Поскольку PLD-устройства не могут реализовывать сложные функции, они продолжают использоваться для реализации простых функций в портативных устройствах и коммуникациях, в то время как FPGA-устройства, начиная от размера в 1000 вентилей (первая FPGA, разработанная в 1985 году), на данный момент превысили отметку в 10 миллионов вентилей (семейство Virtex-6). Они активно развиваются и уже вытесняют ASIC-микросхемы, позволяя реализовывать самые различные чрезвычайно сложные функции, при этом не теряя возможности перепрограммирования.