Работа на компьютере — Основы информатики — Принцип работы ПК: процессор (CPU) и память

Принцип работы ПК

Каждый компьютер состоит из собственно вычислительной системы и устройств ввода-вывода. Все вычисления производит микропроцессор (CPU — Central Processor Unit). При помощи различных устройств ввода (клавиатура, мышь, сканер) вы можете вводить информацию в ПК, а при помощи устройств вывода (монитор, принтер) он вам ее выводит.

Поскольку компьютеру надо где-то хранить информацию, с которой он работает, у него должна быть память. Для хранения информации используется два основных вида памяти — оперативная (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство) и постоянная (ПЗУ, постоянное запоминающее устройство). В ОЗУ хранятся текущие данные вычислений, туда же загружаются программы в момент их выполнения. Именно с этой памятью и общается процессор, так как она работает очень быстро. На современных персональных компьютерах обычно устанавливают не менее 64 Мбайт такой памяти.

Постоянная память предназначена для хранения любых данных, в том числе программ. Когда вы запускаете программу, она считывается из ПЗУ и загружается в ОЗУ. И хотя скорость работы постоянной памяти намного ниже, чем оперативной, у нее имеется одно большое преимущество — при выключении компьютера все данные в ПЗУ остаются, а ОЗУ без питания ничего не помнит. Кроме того, размеры постоянной памяти в современных ПК достигают десятков гигабайт.

ПРИМЕЧАНИЕ
Раньше для ПЗУ давали иное определение, однако сейчас существует так много различных типов памяти, что провести границу, где начинается одна, а где начинается другая, практически невозможно. Больше того, те же жесткие диски, о которых речь пойдет позже, не подходят под определение ПЗУ. Тем не менее этот термин я буду применять и к ним, чтобы не плодить лишние определения. В конце концов, до появления дисков их функцию частично выполняла именно ПЗУ. А современные флэш-винчестеры (SSD) — так и вообще почти что копия той самой «древней» ПЗУ.

Например, когда вы включаете компьютер, из постоянной памяти (HDD или SSD) в оперативную (RAM) загружается операционная система. Когда вы запускаете программу, она тоже считывается с ПЗУ в ОЗУ вместе с данными, с которыми вы работаете. Завершая программу, вы сохраняете изменен-ные данные (например, текст) в ПЗУ, а сама программа удаляется из ОЗУ, чтобы освободить место другим.

Раз уж мы заговорили о данных, то давайте определимся и с ними: под данными понимается любая информация, находящаяся в компьютере, в любой памяти. Однако с точки зрения пользователя, как правило, данные — это то, с чем он работает (текст, рисунки и т .д.), а программы (и их компоненты) данными как бы и не являются. Поэтому фраза «скопируй данные», как правило, означает передачу именно результатов работы — все тех же текстовых или графических документов, или файлов.

« Биты и байты, или Что такое компьютер | Папки с файлами, типы файлов и расширения »

Page not found — Компьютер для новичков с чего начать!

Unfortunately the page you’re looking doesn’t exist (anymore) or there was an error in the link you followed or typed. This way to the home page.

• Главная
• Алгоритм работы компьютера!
• Быстро удалить профиль в одноклассниках!!!
• быстрое и правильное форматирование флэшки (сменного носителя)!
• Быстрые горячие клавиши в Windows XP
• Вот это скорость скорость твоего интернета!
• Видеоинструкция по перелинковке вашего сайта.
• Вирусы для всех!!!
• Горячие Клавиши для Microsoft Offise
• Доска бесплатных объявлений Россия без регистрации и смс.
• Драйвера рабочие под любые компьютеры сборник
• Диск C не трогать!
• Завести почту на Яндексе(yandex)!
• ИнтерNET для новичка!
• Инструкция создания загрузочной флешки с WINDOWS XP и WINDOWS 7 одновременно
• Как увеличить посещаемость сайта с нуля до 20000 в день!
• Как сделать поиск по сайту через Яндекс(yandex)
• Как сделать поиск по сайту через Гугл(google)
• Картинка приветствия (заставка) win7 меняем
• Как смонтировать образ в Alcohol!
• Как быстро и безболезненно почистить компьютер самому!
• Как прошить БИСИНУ (BIOS) своими руками новичку!!!
• Как выбрать ZVER домашний,офисный,игровой компьютер
• Как очень быстро собрать компьютер самому и своими руками,руководство !
• Как правильно и корректно удалять ненужные программы!
• Качаем музон и видео VKontakte!
• Как я могу узнать больше о компьютерах?
• Когда был изобретен первый компьютер?
• Монитор в качестве телевизора,настройка!!!
• Мусорка в народе (Корзина) и работа с ней!
• Напрочь удаляем explorer на совсем!!!
• Настройка прокси сервера(сервака) в опере
• Настройка WINDOWS новичку.
• Не работает CD-DVD ROM?Узнай почему?
• Не открываемый файл
• Новичку скачать необходимые и важные программы!
• Новичку мини переводчик,скачать!
• Новичку для фото.!
• Новичку программы для интернета!
• Полному новичку про компьютер,что,где и зачем?
• 1-е Полному новичку про компьютер,что,где и зачем?
• 2-е Полному новичку про компьютер,что,где и зачем?
• Проверка правописания в опере
• Послушать радио бесплатно онлайн и быстро.
• Правила и требования к пользователю компьютером, для новичка!
• Рабочий стол?Что,куда и зачем!
• Разделить файл на несколько файлов,новичку!
• Разница между ноутбуком и системником(стационарным компьютером)!
• Регистрация в ICQ!!
• Создай свой классный, оригинальный рингтон!
• Скачать русскую Aida64 бесплатно
• Скачать Fine Reader бесплатно.
• Скачать KavWks 6.0.4.
• Скачать майкрософт офис 2007-2013 не требующую регистрации ,рабочую русскую версию
• Скачать DirectX 9-10-11
• Скачать Coreldraw 13 официальная русская версия + keygen(таблетка)
• Скачать Windows XP sp3 iso с рабочим встроенным ключом
• Сколько можно не выключать компьютер
• С чего начать работу за компьютером после покупки?
• Твоя флешка чистая и без вирусов(autorun. inf)!!!
• Файл на засов для новичка!
• ФОТОШОП Горячие клавиши Photoshop
• ЧТО такое САЙТ полному новичку!
• HDAUDIO\FUNC_01&VEN_14F1&DEV_510F&SUBSYS_1043138D

Принцип работы компьютера. Компьютер для чайников

Сегодня компьютерные устройства настолько прочно вошли в нашу жизнь, что представить себе наше существование без них кажется невозможным. Однако большинство пользователей практически никогда не задумывается о том, как же работают все эти системы. Далее будет рассмотрено, как устроен компьютер (для «чайников», так сказать). Конечно, описать все подробно и осветить все технические стороны не получится (да это большинству и не нужно). Поэтому ограничимся основными аспектами, говоря простым «человеческим» языком.

Компьютер для «чайников»: основные компоненты

Говоря об устройстве любого компьютерного устройства, следует четко понимать, что в основе своей он состоит из аппаратной и программной части.

Под аппаратной частью понимают все подключенные устройства, которые, если можно так выразиться, можно потрогать руками (процессоры, планки памяти, жесткие диски, мониторы, видео-, аудио- и звуковые адаптеры, клавиатуру, мышь, периферийные устройства вроде принтеров, сканеров и т. д.). В народе все эти компоненты иногда называют «компьютерным железом».

Программная часть состоит из множества компонентов, среди которых главенствующую роль играет операционная система, на основе которой производится взаимодействие между аппаратной частью и другими программами и устанавливаемые в ней драйвера устройств – специальные программы, с помощью которых ОС может взаимодействовать с самим «железом» и задействовать его при выполнении определенных задач.

Отсюда нетрудно сделать вывод о том, что главный принцип работы компьютера любого типа состоит во взаимодействии «железных» и программных компонентов. Но это только поверхностное представление. Эти процессы будут описаны несколько позже.

Компьютерное «железо»

В аппаратной части, как считают многие, на первом месте стоят процессор и оперативная память. Отчасти, это так и есть. Именно они обеспечивают выполнение всех программных команд и дают возможность запускать те или иные процессы.

С другой стороны, если копнуть глубже, ни один «железный» компонент сам по себе ничего не стоит, ведь его для использования надо куда-то подключить. И тут первостепенное значение уделяется, так называемым, материнским платам (в народе – «материнкам») – специальным устройствам, на которые монтируются все остальные компоненты, микросхемы и т. д. В этом смысле основной принцип работы компьютера (корректного функционирования без сбоев) состоит в том, чтобы правильно подключить все аппаратные компоненты через соответствующие контроллеры к специальным слотам или разъемам на самой плате. Тут есть свои правила, например, по корректному использованию шин PCI, по подключению жестких дисков и съемных дисководов с использованием принципа Master/Slave и т. д.

Отдельно стоит сказать о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), на котором записана информация, как бы навечно, и оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), служащем для выполнения программных компонентов.

Виды программного обеспечения

Программный принцип работы компьютера подразумевает использование соответствующего программного обеспечения для выполнения поставленных задач.

В общем понимании ПО делится на несколько категорий, среди которых отдельно можно выделить системное и прикладное ПО. К системному программному обеспечению относят сами операционные системы, драйвера устройств, иногда сервисные утилиты, необходимые для обеспечения корректной работы всей системы. Это, так сказать, общая оболочка, в которую встраиваются прикладные программы и приложения. ПО этого типа имеет строгую направленность, то есть, ориентировано на выполнение какой-то определенной задачи.

Но раз речь идет именно о том, что представляют собой основные принципы работы компьютера в общем смысле, на первое место выходит именно системное ПО. Далее рассмотрим, как запускается вся компьютерная система.

Урок информатики. Компьютер: включение и проверка устройств

Наверное, многие пользователи стационарных ПК замечали, что при включении компьютера раздается характерный звук системного динамика. Мало кто обращает на него внимания, однако из факта его появления можно сделать вывод о том, что все «железные» устройства работают нормально.

Что получается? Принцип работы компьютера состоит в том, что при подаче питания на специальную микросхему, называемую устройством первичного ввода/вывода, производится тестирование всех устройств. В первую очередь идет обнаружение неполадок в работе видеоадаптера, ведь если он не в порядке, система просто не сможет вывести на экран визуальную информацию. Только потом определяется тип процессора и его характеристики, параметры оперативной памяти, жесткие диски и другие устройства. По сути, в BIOS изначально хранится информация по всему «железу».

Варианты загрузки

Кроме того, загрузка тоже может трактоваться как программный принцип работы компьютера, поскольку проверка происходит именно программным, а не физическим способом.

Тут же имеется и система выбора загрузочного устройства (жесткий диск, оптический носитель, USB-устройство, сеть, и т. д.). В любом случае дальнейший принцип работы компьютера в плане загрузки состоит в том, чтобы на устройстве присутствовала, так называемая, загрузочная запись, необходимая для старта системы.

Старт операционной системы

Для загрузки ОС необходим специальный загрузчик, который инициализирует ядро системы, записанное на жестком диске, и помещает его в оперативную память, после чего управление процессами передается уже самой ОС.

Кроме того, основная загрузочная запись может иметь и более гибкие настройки, предоставляя право выбора загружаемой системы пользователю. Если же старт производится со съемного носителя, исполняемый загрузочный код считывается с него, но загрузка в любом варианте производится только в том случае, если BIOS определит исполняемый код как действительный. В противном случае на экране появится уведомление о невозможности старта, вроде того, что загрузочный раздел не найден. При этом иногда используется таблица разделов, которая содержит информацию обо всех логических дисках, на которые может быть поделен винчестер. Кроме всего прочего, доступ к информации напрямую зависит от структуры организации файлов, которая носит название файловой системы (FAT, NTFS и др. ).

Заметьте, это самая примитивная интерпретация процесса загрузки, поскольку на самом деле все гораздо сложнее.

Итак, операционная система загрузилась. Теперь остановимся на вопросах функционирования программ и приложений. За их выполнение в первую очередь отвечают центральный процессор и оперативная память, не говоря о задействованных драйверах других устройств.

Принцип работы памяти компьютера заключается в том, что при запуске исполняемого файла программы или другого объекта из ПЗУ или съемного носителя, когда приложение исполняет как бы дополняющую роль, в оперативную память (ОЗУ) через ядро системы помещаются некоторые сопутствующие компоненты, чаще всего представляющие собой динамические библиотеки (хотя для простых программ их наличие может быть и не предусмотрено), и необходимые для работы драйверы устройств.

Они обеспечивают связь между операционной системой, самой программой и пользователем. Понятно, что чем больший объем имеет оперативная память, тем больше компонентов в нее можно загрузить и тем быстрее будет происходить их обработка. При поступлении команд взаимодействия в дело вступает центральный процессор, который и производит все вычислительные действия в системе. По завершении работы приложения или при выключении компьютера все компоненты из «оперативки» выгружаются. Но так бывает не всегда.

Изменение параметров системы

Некоторые процессы могут находиться в оперативной памяти постоянно. Поэтому их нужно останавливать вручную. В Windows-системах многие службы стартуют автоматически, а вот пользователю они оказываются совершенно ненужными. В этом случае применяется настройка автозапуска. В самом простом варианте применяются программы-оптимизаторы, которые очищают ненужные процессы, удаляют компьютерный мусор в автоматическом режиме. Но это уже отдельный разговор.

Информационный сайт учителя Информатики и Экономики

Цель урока:  Изучить основные устройства компьютера, принцип работы основных устройств и их функциональное назначение.

Компьютер — многофункциональное, программно-управляемое устройство, предназначенное для автоматической работы с различными видами информации.

Принцип устройства компьютера заключается в логическом принципе модели человека, работающего с информацией.

Типы компьютеров по функциональному назначению:

Персональный компьютер (ПК) — состоит из взаимосвязанных устройств, каждое из которых выполняет определённую функцию.

Устройства компьютера; Виды памяти в ПК представлены в виде схем — ссылка на схематический материал.
Рассмотрим его аппаратную часть («железо»):
Системный блок — состоит из металлического корпуса, в котором располагаются основные компоненты компьютера (такие, как монитор, клавиатура, мышь, модем, сканер и пр.).

Системный блок в компьютере является «главным».

Внутри системного блока расположены:
— микропроцессор, который выполняет все поступающие команды, производит вычисления и управляет работой всех компонентов компьютера;
— оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;
— системная шина, осуществляющая информационную связь между устройствами компьютера;
— материнская плата, на которой находятся микропроцессор, системная шина, оперативная память, коммуникационные разъемы, микросхемы управления различными компонентами компьютера, счётчик времени, системы индикации и защиты;
— блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

— вентиляторы для охлаждения греющихся элементов;
— устройства внешней памяти, к которым относятся накопители на гибких и жестких магнитных дисках, дисковод для компакт-дисков СD-ROM, предназначенные для длительного хранения информации.
Виды накопителей:
2. Накопитель на жестком магнитном диске (HDD)
3. Накопитель на гибком магнитном диске(дискетка) (FDD)
4. Накопитель на компакт-диске (CD ROM)
5. Накопитель на dvd-диске (DVD ROM)
6. Разъемы для дополнительных устройств (порты) на задней (иногда и на передней) панели, и др.
7. Системная плата
Основные характеристики устройств компьютера:

Задание:

XVII. Охрана труда при выполнении отключений в электроустановках / КонсультантПлюс

XVII. Охрана труда при выполнении отключений

в электроустановках

17.1. При подготовке рабочего места должны быть отключены:

токоведущие части, на которых будут производиться работы;

неогражденные токоведущие части, к которым возможно случайное приближение людей, механизмов и грузоподъемных машин на расстояние, менее указанного в таблице N 1;

цепи управления и питания приводов, закрыт воздух в системах управления коммутационными аппаратами, снят завод с пружин и грузов у приводов выключателей и разъединителей.

17.2. В электроустановках напряжением выше 1000 В с каждой стороны, с которой включением коммутационного аппарата не исключена подача напряжения на рабочее место, должен быть видимый разрыв. Видимый разрыв разрешается создавать отключением разъединителей, снятием предохранителей, отключением отделителей и выключателей нагрузки, отсоединением или снятием шин и проводов.

В случае отсутствия видимого разрыва в комплектных распределительных устройствах заводского изготовления с выкатными элементами, а также в комплектных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией (далее — КРУЭ) напряжением 6 кВ и выше разрешается проверку отключенного положения коммутационного аппарата проверять по механическому указателю гарантированного положения контактов.

(в ред. Приказа Минтруда России от 19.02.2016 N 74н)

Силовые трансформаторы и трансформаторы напряжения, связанные с выделенным для работ участком электроустановки, должны быть отключены и схемы их разобраны также со стороны других своих обмоток для исключения возможности обратной трансформации.

При дистанционном управлении коммутационными аппаратами с рабочего места, позволяющего оперативному персоналу, осуществляющему оперативное обслуживание электроустановок, дистанционно (с монитора компьютера) осуществлять управление коммутационными аппаратами, заземляющими ножами разъединителей и определять их положение, использовать выводимые на монитор компьютера схемы электрических соединений электроустановок, электрические параметры (напряжение, ток, мощность), а также считывать поступающие аварийные и предупредительные сигналы (далее — автоматизированное рабочее место оперативного персонала (АРМ)) не допускается нахождение персонала в распределительных устройствах, в которых находятся данные коммутационные аппараты.

17.3. После отключения выключателей, разъединителей (отделителей) и выключателей нагрузки с ручным управлением необходимо визуально убедиться в их отключении и отсутствии шунтирующих перемычек.

При дистанционном управлении коммутационными аппаратами с АРМ проверка положения коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей, заземляющих ножей) производится по сигнализации АРМ. Общий контроль за состоянием коммутационных аппаратов осуществляется средствами технологического видеонаблюдения. Визуальная проверка фактического положения коммутационных аппаратов должна быть выполнена после окончания всего комплекса операций непосредственно на месте установки коммутационных аппаратов.

17.4. В электроустановках напряжением выше 1000 В для предотвращения ошибочного или самопроизвольного включения коммутационных аппаратов, которыми подается напряжение к месту работы, должны быть приняты следующие меры:

у разъединителей, отделителей, выключателей нагрузки ручные приводы в отключенном положении должны быть заперты ключом или съемной ручкой (далее — механический замок). В электроустановках напряжением 6 — 10 кВ с однополюсными разъединителями вместо механического замка допускается надевать на ножи диэлектрические колпаки;

у разъединителей, управляемых оперативной штангой, стационарные ограждения должны быть заперты на механический замок;

у приводов коммутационных аппаратов, имеющих дистанционное управление, должны быть отключены силовые цепи и цепи управления, а у пневматических приводов, кроме того, на подводящем трубопроводе сжатого воздуха задвижка должна быть закрыта и заперта на механический замок и выпущен сжатый воздух, при этом спускные клапаны должны быть оставлены в открытом положении;

при дистанционном управлении с АРМ, у приводов разъединителей должны быть отключены силовые цепи, ключ выбора режима работы в шкафу управления переведен в положение «местное управление», шкаф управления разъединителем заперт на механический замок;

у грузовых и пружинных приводов включающий груз или включающие пружины должны быть приведены в нерабочее положение;

должны быть вывешены запрещающие плакаты.

Меры по предотвращению ошибочного включения коммутационных аппаратов КРУ с выкатными тележками должны быть приняты в соответствии с требованиями, предусмотренными пунктами 29.1, 29.2 Правил.

17.5. В электроустановках напряжением до 1000 В со всех токоведущих частей, на которых будет проводиться работа, напряжение должно быть снято отключением коммутационных аппаратов с ручным приводом, а при наличии в схеме предохранителей — снятием последних. При отсутствии в схеме предохранителей предотвращение ошибочного включения коммутационных аппаратов должно быть обеспечено такими мерами, как запирание рукояток или дверец шкафа управления, закрытие кнопок, установка между контактами коммутационного аппарата изолирующих накладок. При снятии напряжения коммутационным аппаратом с дистанционным управлением необходимо разомкнуть вторичную цепь включающей катушки.

Перечисленные меры могут быть заменены расшиновкой или отсоединением кабеля, проводов от коммутационного аппарата либо от оборудования, на котором должны проводиться работы.

Необходимо вывесить запрещающие плакаты.

17.6. Отключенное положение коммутационных аппаратов напряжением до 1000 В с недоступными для осмотра контактами определяется проверкой отсутствия напряжения на их зажимах либо на отходящих шинах, проводах или зажимах оборудования, включаемого этими коммутационными аппаратами. Проверку отсутствия напряжения в комплектных распределительных устройствах заводского изготовления допускается производить с использованием встроенных стационарных указателей напряжения.

Устройство и принцип работы ЖК монитора

В наше время технологии не стоят на месте, они стремительно развиваются, благодаря чему в мир выходят все новые, удивительные и высокотехнологичные устройства. Это касается и технологий изготовления LCD мониторов, которые на сегодняшний день пользуются наибольшим распространением и имеют самые большие перспективы. Но каково же устройство ЖК монитора и в чем его преимущества? Именно об этом и пойдет речь в данной публикации.

1. Что такое ЖК монитор

1.1. Принцип работы ЖК монитора

Для начала стоит разобраться, что же такое ЖК монитор. Для этого нужно понять, что такое LCD-дисплей. Как вы, наверное, уже догадались LCD это некое сокращение, полностью название имеет следующий вид – Liquid Crystal Display. В переводе на русский язык это означает жидкокристаллический дисплей. Таким образом, становится понятно, что ЖК и LCD – это одно и то же.

Данная технология построена на использовании специальных молекул жидких кристаллов, которые имеют уникальные свойства. Такие мониторы отличаются рядом неоспоримых преимуществ. Для того чтобы их понять стоит более детально разобрать принцип работы ЖК мониторов.

2. Устройство LCD монитора и принцип его работы

Как уже говорилось выше, для изготовления ЖК-дисплея используются специальные вещества, которые называются цианофенилами. Они находятся в жидком состоянии, однако при этом они имеют уникальные свойства, которые присущи кристаллическим телам. По сути – это такая жидкость, которая имеет анизотропию свойств, в частности оптических. Эти свойства связаны с упорядоченностью в ориентации молекул.

Принцип работы жидкокристаллических мониторов основывается на поляризационных свойствах молекул кристаллов. Эти молекулы способны пропускать исключительно ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой располагается в параллельной оптической плоскости поляроида (молекулы кристалла). Другие световые спектры кристаллы не пропускают. Другими словами, цианофенилы являются световыми фильтрами, пропускающими только определенный световой спектр – один из основных цветов. Такой эффект и называется поляризацией света.

Благодаря тому, что длинные молекулы жидких кристаллов меняют свое расположение в зависимости от электромагнитного поля, появилась возможность управления поляризацией. То есть в зависимости от силы воздействующего электромагнитного поля на циенофенилы они меняют свое расположение и форму, тем самым меняя углы преломления света и меняя свою поляризацию. Именно благодаря сочетанию электрооптических свойств кристаллов и способности принимать форму сосуда такие молекулы получили название – жидкие кристаллы.

Именно на таких свойствах и основывается принцип работы LCD монитора. Благодаря изменению силы электромагнитного поля молекулы жидких кристаллов меняют свое положение. Таким образом, формируется изображение.

2.1. Матрица ЖК-дисплея

Матрица ЖК мониторы – это массив, состоящий из множества мельчайших сегментов, которые имеют название – пиксели. Каждым из этих пикселей можно управлять в отдельности, благодаря чему и возникает определенная картинка. Матрица LCD монитора состоит из нескольких слоев. Ключевая роль принадлежит двум панелям, которые изготовлены из свободного от натрия, а также абсолютно чистого стеклянного материала. Этот материал имеет название субстрат (или в народе – подложка). Именно между этими двумя слоями и располагается тончайший слой жидких кристаллов.

Помимо этого на панелях имеются специальные бороздки, которые контролируют кристаллы, задавая им нужную ориентацию (положение). Эти бороздки расположены параллельно друг другу на панели и перпендикулярны расположению бороздок на другой панели. То есть, на одной панели они горизонтальны, а на другой вертикальны. Если посмотреть на экран через увеличительное стекло, то можно будет увидеть тончайшие полоски (вертикально и горизонтально). Они образуют маленькие квадратики – это и есть пиксели. Они бывают и круглой формы, но в подавляющем большинстве – квадратные.

Освещение жидкокристаллических панелей может реализовываться двумя способами:

• Отражение света;
• Прохождение света.

При этом плоскость поляризации световых потоков может поворачиваться на 90˚ в момент прохождения через одну панель.

В случае возникновения электрического поля, молекулы кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль этого поля. При этом угол поворота плоскости поляризации световых потоков меняется, и становится отличным от 90˚. Благодаря этому свет беспрепятственно проходит сквозь молекулы.

Такой поворот плоскости абсолютно невозможно заметить невооруженным глазом. Из-за этого появилась потребность в добавлении к стеклянным панелям еще двух других слоев, которые играют роль поляризационных фильтров. Они пропускают исключительно такие спектры световых лучей, ось поляризации которых соответствует установленному значению. Другими словами, благодаря дополнительным панелям в момент прохождения света через поляризатор он будет ослаблен. Интенсивность света зависит от угла между плоскостью поляризации (дополнительных панелей) и осью поляризатора (основные стеклянные панели).

Если напряжение отсутствует, то ячейка будет абсолютно прозрачной, так как первый поляризатор исключительно тот свет, который имеет соответствующее направление поляризации. Направление поляризации задается молекулами жидких кристаллов, и к тому времени, как свет поступит ко второму поляризатору, он уже будет повернут, чтобы пройти через него без затруднений.

В случае воздействия электрического поля поворот вектора поляризации осуществляется на меньший угол. Это в свою очередь делает второй поляризатор частично прозрачным для потоков света. Если сделать так, что поворот плоскости поляризации в молекулах жидких кристаллов вовсе будет отсутствовать, то свет будет полностью поглощаться вторым поляризатором. Другими словами при освещении задней части дисплея передняя часть будет качаться абсолютно черной.

2.2. Управление поляризацией в ЖК мониторах при помощи электродов

Учитывая это, разработчики оснастили дисплеи достаточным количеством электродов, которые создают разные электромагнитные поля в отдельных частях экрана (в каждом пикселе). Благодаря такому решению они достигли возможности, в условиях правильного управления потенциалами этих электродов, воспроизводить на экране дисплея буквы, и даже сложные разноцветные картинки. Эти электроды могут обладать любой формой и располагаются в прозрачном пластике.

Благодаря современным новшествам в технологии, электроды имеют весьма небольшие размеры – их практически не видно не вооруженным глазом. Благодаря этому на относительно небольшой площади дисплея можно разместить достаточно большое количество электродов, что позволяет увеличить разрешение ЖК-дисплея. Это в свою очередь позволяет улучшить качество отображаемой картинки и воспроизводить даже самые сложные картинки.

2.3. Получение цветного изображения

Принцип работы жидкокристаллических мониторов заключается в довольно сложных процессах. Однако благодаря этому пользователь получает высокое качество изображения на своем мониторе. Для того чтобы отображать цветную картинку, дисплею LCD необходима задняя подсветка, благодаря которой свет будет исходить из задней части экрана. Это позволяет пользователям наблюдать максимально высокое качество изображения, даже в условиях затемненной окружающей среды.

Принцип работы ЖК мониторов для вывода цветной картинки основывается на применении все тех же трех основных цветов:

• Синий;
• Зеленый;
• Красный.

Для получения этих спектров используется три фильтра, отсеивающие остальные спектры видимого излучения. При помощи комбинирования этих цветов для каждого пикселя (ячейки) достигается возможность вывода полноценной цветной картинки.

На сегодняшний день существует два способа для получения цветной картинки:

• Использование нескольких фильтров, расположенных друг за другом. Это приводит к малой доле пропускаемого света.
• Использование свойств молекул жидких кристаллов. Для отражения (или поглощения) излучения нужной длины можно изменять силу напряжения электромагнитного поля, которое влияет на расположение молекул жидких кристаллов, тем самым фильтруя излучение.

Каждый производитель выбирает свой вариант получения цветного изображения. Стоит отметить, что первый способ более простой, однако второй – более эффективный. Также стоит отметить, что для повышения качества изображения в современных ЖК-дисплеях, которые обладают высоким разрешением экрана, используется технология STN, позволяющая поворачивать плоскости поляризации света в кристаллах на 270˚. Также были разработаны такие типы матриц как TFT и IPS.

Именно TFT и IPS матрицы пользуются наибольшим распространением в наше время.

TFT – это Thin Film Transistor. Другими словами – это тонкопленочный транзистор, который управляет пикселем. Толщина такого транзистора составляет 0,1-0,01 микрон. Благодаря этой технологии появилась возможность достичь еще более высокого качества изображения путем управления каждым пикселем.

Технология IPS – это самая новая разработка, позволяющая достичь наивысшего качества изображения. Она предоставляет максимальные углы обзора, однако имеет большее время отклика. То есть медленнее реагирует на изменения напряжения. Однако разница во времени между 5 мс и 14 мс абсолютно не видна.

Теперь вы знаете, как работает ЖК монитор. Однако это еще не все. Существует такое понятие как частота обновления экрана.

3. Частота обновления экрана ЖК монитора

Частота обновления экрана – это характеристика, которая обозначает количество возможных изменений изображения в секунду – количество кадров в секунду. Измеряется этот показатель в Гц. Частота обновления экрана влияет на качество изображение, в частности на плавность движений. Максимальный видимый предел частоты составляет 120 Гц. Частоту выше этого предела мы увидеть не сможем, поэтому увеличивать ее нет смысла. Однако для того, чтобы монитор смог работать на такой частоте необходима мощная видеокарта, которая сможет выдавать те же 120 Гц с запасом.

Помимо этого, частота обновления экрана влияет на органы зрения и даже на психику. Выражается такое воздействие в первую очередь на усталости глаз. При низкой частоте мерцания глаза быстро устают и начинают болеть. Кроме этого, у людей со склонностью к эпилепсии могут вызываться припадки. Однако в современных LCD мониторах используются специальные лампы для подсветки матрицы, которые имеют частоту свыше 150 Гц, а указываемая частота обновления больше влияет на скорость смены картинки, но не на мерцание дисплея. Поэтому LCD мониторы меньше всего влияют на органы зрения и организм человека.

4. Как работает LCD-дисплей: Видео

4.1. Требуемая частота монитора для просмотра 3D

Для использования активных и поляризационных 3D очков используются LCD матрицы, имеющие частоту обновления экрана 120 Гц. Это необходимо для того, чтобы разделить изображения для каждого глаза, при этом частота для каждого глаза должна составлять не менее 60 Гц. Мониторы с частотой 120 Гц можно использовать и для обычных 2D фильмов или для игр. При этом плавность движений заметно лучше, нежели в мониторах с частотой 60 Гц.

Помимо этого, в таких мониторах используются специальные лампы или LED (светодиоды) подсветка, имеющая еще более высокую частоту мерцания, которая составляет около 480 Гц. Это в свою очередь существенно уменьшает нагрузку на органы зрения.

В современных мониторах можно встретить два метода реализации подсветки матрицы:

• LED – светодиодная подсветка;
• Люминесцентные лампы.

Все крупные производители переходят на использование LED подсветки, так как она имеет значительные преимущества перед люминесцентными лампами. Они ярче, компактнее, экономичнее и позволяют достичь более равномерного распределения света.

Благодаря использованию новейших технологий ЖК-мониторы абсолютно не уступают своим прямым конкурентам – плазменным панелям, а в некоторых случаях даже превосходят их.

Как работают квантовые компьютеры. Собираем паззл / Хабр

Квантовые компьютеры и квантовые вычисления — новый баззворд, который добавился в наше информационное пространство наряду с искусственным интеллектом, машинным обучением и прочими высокотехнологическими терминами. При этом мне так и не удалось найти в интернете материал, который бы сложил у меня в голове пазл под названием “как работают квантовые компьютеры”. Да, есть много прекрасных работ, в том числе и на хабре (см. Список ресурсов), комментарии к которым, как это обычно и бывает, еще более информативны и полезны, но картинка в голове, что называется, не складывалась.

А недавно ко мне подошли коллеги и спросили “Ты понимаешь как работает квантовый компьютер? Можешь нам рассказать?” И тут я понял, что проблема со складыванием в голове целостной картинки есть не только у меня.

В результате была сделана попытка скомпилировать информацию о квантовых компьютерах в непротиворечивую логическую схему, в которой бы на базовом уровне, без глубокого погружения в математику и структуру квантового мира, объяснялось что такое квантовый компьютер, на каких принципах он работает, а также какие проблемы стоят перед учеными при его создании и эксплуатации.

(к оглавлению)

Автор не является специалистом в квантовых вычислениях, и целевая аудитория статьи — такие же ИТ-шники, не квантовые специалисты, которые тоже хотят собрать в голове картинку под названием “Как работают квантовые компьютеры”. Из-за этого многие понятия в статье сознательно упрощены для лучшего понимания квантовых технологий на “базовом” уровне, но без совсем уж сильного упрощения с потерей информативности и адекватности.

В статье, в некоторых местах используются материалы из других источников, список которых приведен в конце статьи. Везде где это было возможно, вставлены прямые ссылки и указания на оригинал текста, таблицы или рисунка. Если где-то что-то (или кого-то) забыл, пишите — поправлю.

(к оглавлению)

В этой главе мы коротко рассмотрим с чего началась квантовая эра, что явилось побудительной причиной для возникновения идеи квантового компьютера, кто (какие страны и корпорации) в настоящее время являются ведущими игроками на этой поляне, а также вкратце поговорим об основных направлениях развития квантовых вычислений.

Как все начиналось

(к оглавлению)

Точкой отсчета квантовой эры принято считать 1900 год, когда М. Планк впервые выдвинул гипотезу о том, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Идею подхватили и развили многие выдающиеся ученые того времени — Бор, Эйнштейн, Гейзенберг, Шредингер, что, в конечном счете, привело к созданию и развитию такой науки как квантовая физика. Про становление квантовой физики как науки в Сети есть много хороших материалов, в этой статье мы не будем подробно останавливаться на этом, но указать дату, когда мы вошли в новую квантовую эпоху, было необходимо.

Квантовая физика принесла в нашу обычную жизнь много изобретений и технологий, без которых сейчас трудно себе представить окружающий мир. Например, лазер, который сейчас используется везде, от бытовой техники (лазерные нивелиры и прочее) до высокотехнологичных систем (лазеры для коррекции зрения, привет meklon ). Логично было бы предположить, что рано или поздно кто-то выдвинет идею о том, что почему бы не использовать квантовые системы для вычислений. И вот в 1980 году это случилось.

Википедия указывает на то, что первым идею квантовых вычислений высказал в 1980 году наш ученый Юрий Манин. Но реально заговорили о ней только в 1981, когда небезызвестный Р. Фейнман в докладе на первой конференции по физике вычислений, проведенной в Массачусетском технологическом институте, отметил, что невозможно моделировать эволюцию квантовой системы на классическом компьютере эффективным способом. Он предложил элементарную модель квантового компьютера, который будет способен провести такое моделирование.

В Сети есть вот такая работа, в которой хронология развития квантовых вычислений рассматривается более академически и подробно, мы же пробежимся коротко:

Основные вехи в истории создания квантовых компьютеров:

Как вы видите прошло 17 лет (с 1981 до 1998) с момента идеи до ее первой реализации в компьютере с 2-мя кубитами, и 21 год (с 1998 до 2019) до момента, когда количество кубитов увеличилось до 53-х. Потребовалось 11 лет (с 2001 до 2012) чтобы улучшить результат выполнения алгоритма Шора (мы остановимся на нем подробнее чуть далее) с числа 15 до 21. Также только три года назад мы подошли к тому, чтобы реализовать то, о чем говорил Фейнман, и научиться моделировать простейшие физические системы.

Развитие квантовых вычислений идет медленно. Перед учеными и инженерами стоят очень сложные задачи, квантовые состояния очень недолговечны и хрупки, и, чтобы сохранить их достаточно долгое время для выполнения вычислений, приходится строить саркофаги за десятки миллионов долларов, в которых поддерживается температура чуть выше абсолютного ноля, и которые максимально защищены от внешних воздействий. Далее мы будем говорить об этих задачах и проблемах более подробно.

Ведущие игроки

(к оглавлению)

Слайды для этого раздела взяты из статьи Квантовый компьютер: большая игра на повышение. Лекция в Яндексе, от научного сотрудника Российского квантового центра Алексея Фёдорова. Позволю себе прямые цитаты:

Все технологически успешные страны в данный момент активно занимаются развитием квантовых технологий. В эти исследования вкладывается огромное количество средств, создаются специальные программы поддержки квантовых технологий.

В квантовой гонке участвуют не только государства, но и частные компании. Суммарно Google, IBM, Intel и Microsoft вложили около 0,5 млрд долларов в развитие квантовых компьютеров за последнее время, создали крупные лаборатории и исследовательские центры.

На Хабре и в Сети есть множество статей, например, вот, вот и вот, в которых текущее состояние дел с развитием квантовых технологий в разных странах рассматривается более подробно. Для нас сейчас главное, что все ведущие технологически развитые страны и игроки вкладывают огромные средства в исследования в этом направлении, что дает надежду на выход из текущего технологического тупика.

Направления развития

(к оглавлению)

На текущий момент (могу ошибаться, поправьте) основные усилия (и более-менее значимые результаты) у всех ведущих игроков сосредоточены на двух направлениях:

• Специализированные квантовые компьютеры, которые направлены на решение одной конкретной специфической задачи, например, задачи оптимизации. Примером продукта являются квантовые компьютеры D-Wave.
• Универсальные квантовые компьютеры — которые способны реализовать произвольные квантовые алгоритмы (Шора, Гровера, и т.д.). Реализации от IBM, Google.

Прочие же вектора развития, которые дает нам квантовая физика, такие как:

безусловно тоже в списке направлений для исследований, но каких-то более-менее значимых результатов в настоящее время вроде как еще нет.

Дополнительно можно почитать дорожную карту развития квантовых технологий, ну и гуглите “развитие квантовых технологий”, например, вот, вот и вот.

(к оглавлению)

Самое главное, что надо понять из этого раздела, это то, что

Квантовый компьютер (в отличие от обычного) в качестве носителей информации использует квантовые объекты, а для проведения вычислений квантовые объекты должны быть соединены в квантовую систему.

Что же такое квантовый объект?

Квантовый объект — объект микромира (квантового мира), который проявляет квантовые свойства:

• Имеет определенное состояние с двумя граничными уровнями
• Находится в суперпозиции своего состояния до момента измерения
• Запутывается с другими объектами для создания квантовых систем
• Выполняет теорему о запрете клонирования (нельзя скопировать состояние объекта)

Разберем каждое свойство более подробно:

Имеет определенное состояние с двумя граничными уровнями (конечное состояние)

Классический пример из реального мира — монета. У нее есть состояние “сторона”, которая принимает два граничных уровня — “орел” и “решка”.

Находится в суперпозиции своего состояния до момента измерения

Подбросили монетку, она летит и вращается. Пока она вращается невозможно сказать в каком из граничных уровней находится ее состояние “сторона”. Но стоит нам ее прихлопнуть и посмотреть на результат — как суперпозиция состояний тут же схлопывается в одно из двух граничных — “орел” и “решка”. Прихлопывание монетки в нашем случае и есть измерение.

Запутывается с другими объектами для создания квантовых систем

С монеткой сложно, но попробуем. Представьте мы подбросили три монетки так, что они вращаются цепляясь друг за друга, такое жонглирование монетками. В каждый момент времени не только каждая из них находится в суперпозиции состояний, но эти состояния взаимно влияют друг на друга (монетки же сталкиваются).

Выполняет теорему о запрете клонирования (нельзя скопировать состояние объекта)

Пока монетки летят и вращаются, мы никаким образом не можем создать отдельную от системы копию вращающегося состояния любой из монеток. Система живет сама в себе и очень ревностно относится к тому, чтобы выдать наружу какую-либо информацию.

Еще пара слов о самом понятии “суперпозиции”, практически во всех статьях суперпозицию объясняют как “находится во всех состояниях одновременно”, что, конечно, верно, но временами излишне запутывает. Суперпозицию состояний можно представить себе также как то, что в каждый момент времени у квантового объекта есть определенные вероятности схлопнуться в каждый из своих граничных уровней, и в сумме эти вероятности, естественно, равны 1. Далее при рассмотрении кубита мы остановимся на этом более подробно.

Для монеток это можно себе представить визуально — в зависимости от начальной скорости, угла подброса, состояния окружающей среды, в которой летит монетка, в каждый момент времени вероятность получить “орел” или “решку” разная. И, как говорилось ранее, состояние такой летящей монетки можно себе представить как “находится во всех своих граничных состояниях одновременно, но с разной вероятностью их реализации”.

Любой объект, для которого выполняются вышеуказанные свойства и который мы можем создать и управлять, может использоваться как носитель информации в квантовом компьютере.

Чуть дальше мы поговорим о текущем состоянии дел с физической реализацией кубитов как квантовых объектов, и что сейчас ученые используют в этом качестве.

Итак, третье свойство гласит, что квантовые объекты могут запутываться для создания квантовых систем. Что же такое квантовая система?

Квантовая система — система запутанных квантовых объектов, обладающая следующими свойствами:

• Квантовая система находится в суперпозиции всех возможных состояний объектов, из которых она состоит
• Нельзя узнать состояние системы до момента измерения
• В момент измерения система реализует один из возможных вариантов своих граничных состояний

(и, забегая чуть вперед)

Следствие для квантовых программ:

• Квантовая программа имеет заданное состояние системы на входе, суперпозицию внутри, суперпозицию на выходе
• На выходе программы после измерения имеем вероятностную реализацию одного из возможных конечных состояний системы (плюс возможные ошибки)
• Любая квантовая программа имеет архитектуру дымоходной трубы (вход -> выход. Нет циклов, нельзя посмотреть состояние системы в середине процесса.)

(к оглавлению)

Давайте теперь сравним обычный компьютер и квантовый.

Логический уровень

В обычном компьютере это бит. Хорошо нам знакомый насквозь детерминированный бит. Может принимать значения либо 0 либо 1. Он прекрасно справляется с ролью логической единицы для обычного компьютера, но совершенно не подходит для описания состояния квантового объекта, который, как мы уже говорили, в дикой природе находится в суперпозиции своих граничных состояний.

Для этого придумали кубит. В своих граничных состояниях он реализует похожие на 0 и 1 состояния |0> и |1>, а в суперпозиции представляет собой вероятностное распределение над своими граничными состояниями |0> и |1>:

 a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1

a и b при этом представляют собой амплитуды вероятностей, а квадраты их модулей — собственно вероятности получить именно такие значения граничных состояний |0> и |1>, если схлопнуть кубит измерением прямо сейчас.

Физический уровень

На текущем технологическом уровне развития физической реализацией бита для обычного компьютера выступает полупроводниковый транзистор, для квантового, как мы уже говорили, любой квантовый объект. В следующем разделе мы поговорим о том, что сейчас используется в качестве физических носителей кубитов.

Носитель информации

Для обычного компьютера это электрический ток — уровни напряжения, наличие или отсутствие тока, и т.д., для квантового — то самое состояние квантового объекта (направление поляризации, спин, и т.д.), которое может находится в состоянии суперпозиции.

Операции

Для реализации логических схем на обычном компьютере используются всем нам хорошо известные логические операции, для операций над кубитами пришлось придумывать совершенно иную систему операций, называемую квантовыми вентилями. Вентили бывают однокубитные и двухкубитные, в зависимости от того, над сколькими кубитами производится преобразование.

Примеры квантовых вентилей:

Есть понятие универсального набора вентилей, которых достаточно для выполнения любого квантового вычисления. Например, универсальным является набор, включающий вентиль Адамара, вентиль фазового сдвига, вентиль CNOT и вентиль π⁄8. С их помощью можно выполнить любое квантовое вычисление на произвольном наборе кубитов.

В этой статье мы не будем детально останавливаться на системе квантовых вентилей, более подробно про них и логические операции над кубитами можно почитать, например, вот тут. Главное, что надо запомнить:

• Операции над квантовыми объектами требуют создания новых логических операторов (квантовых вентилей)
• Квантовые вентили бывают однокубитные и двухкубитные
• Существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Взаимосвязь

Один транзистор нам совершенно бесполезен, чтобы производить вычисления нам надо соединить много транзисторов между собой, то есть создать полупроводниковый чип из миллионов транзисторов, на которых уже строить логические схемы, АЛУ и, в конечном счете, получить современный процессор в его классическом виде.

Один кубит нам тоже совершенно бесполезен (ну если только в академическом плане),

чтобы производить вычисления нам нужна система кубитов (квантовых объектов)

которая, как мы уже говорили, создается при помощи запутывания кубитов между собой так, чтобы изменения в их состояниях происходили согласованно.

Алгоритмы

Стандартные алгоритмы, которые накопило человечество к текущему моменту, совершенно не подходят для реализации на квантовом компьютере. Да в общем-то и незачем. Квантовые компьютеры, основанные на вентильной логике над кубитами, требуют создания совершенно иных алгоритмов, квантовых алгоритмов. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

Принцип

И самое главное отличие — это принцип работы. У стандартного компьютера это цифровой, жестко детерминированный принцип, основанный на том, что если мы задали какое-то начальное состояние системы и пропустили его через заданный алгоритм, то результат вычислений будет один и тот же, сколько бы раз мы это вычисление не запускали. Собственно, такое поведение это именно то, что мы от компьютера и ждем.

Квантовый компьютер работает на аналоговом, вероятностном принципе. Результат работы заданного алгоритма на заданном начальном состоянии представляет собой выборку из вероятностного распределения конечных реализаций алгоритма плюс возможные ошибки.

Такая вероятностная природа квантовых вычислений обусловлена самой вероятностной сутью квантового мира. “Бог не играет в кости со вселенной”, — говорил старик Эйнштейн, но все эксперименты и наблюдения пока (в текущей научной парадигме) подтверждают обратное.

(к оглавлению)

Как мы уже говорили, кубит может быть представлен квантовым объектом, то есть таким физическим объектом, который реализует описанные выше квантовые свойства. То есть грубо говоря, любой физический объект, в котором есть два состояния и эти два состояния находятся в состоянии суперпозиции можно использовать для построения квантового компьютера.

“Если мы умеем помещать атом в два разных уровня и управлять ими, то вот вам и кубит. Если мы можем это сделать с ионом, — кубит. С током то же самое. Если мы запускаем его по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно, вот вам кубит.” (С)

Есть прекрасный комментарий к статье, в котором текущее многообразие физических реализаций кубита рассматривается более подробно, мы же просто перечислим наиболее известные и распространенные:

Из всего этого многообразия наиболее проработанным является первый метод получения кубитов, основанный на сверхпроводниках. Google, IBM, Intel и прочие ведущие игроки используют именно его для построения своих систем.

Ну и еще почитайте обзор возможных физических реализаций кубитов от Andrew Daley,2014.

(к оглавлению)

Материалы для данного раздела (задача и картинки) взяты из статьи “Просто о сложном. Как работает квантовый компьютер”.

Итак, представим, что у нас есть следующая задача:

Есть группа из трех человек: (А)ндрей, (B)олодя и (С)ережа. Есть два такси (0 и 1).

Известно также, что :

• (А)ндрей, (B)олодя — друзья
• (А)ндрей, (С)ережа — враги
• (B)олодя и (С)ережа — враги

Задача: Разместить народ по такси так, чтобы Max(друзья) и Min(враги)

Оценка: L = (кол-во друзей) — (кол-во врагов) для каждого варианта размещения

ВАЖНО: Предположим, что эвристик нет, оптимального решения нет. В этом случае задача решается только полным перебором вариантов.

Решение на обычном компьютере

Как решать эту задачу на обычном (супер)компьютере (или кластере) — понятно, что надо перебрать в цикле все возможные варианты. Если у нас мультипроцессорная система, то можно распараллелить расчет решений на несколько процессоров и потом собрать результаты.

У нас 2 возможных варианта размещения (такси 0 и такси 1) и 3 человека. Пространство решений 2^3 = 8. N возможных вариантов решения, которые при сравнительно небольших N (100) дают нам непросчитываемое (на текущем технологическом уровне) пространство решений.

Есть ли альтернативы? Как вы уже догадались, таки да, есть.

Но прежде чем мы перейдем к тому, как и почему квантовые компьютеры позволяют эффективно решать подобные задачи, давайте немного вспомним о том, что такое вероятностное распределение. Не пугайтесь, статья обзорная, жесткой математики тут не будет, обойдемся классическим примером с мешком и шариками.

Совсем немного комбинаторики, теории вероятностей и странного экспериментатора

Возьмем мешок и положим в него 1000 белых и 1000 черных шаров. Будем проводить эксперимент — вынимать шар, записывать цвет, возвращать шар в мешок и перемешивать шары в мешке.

Провели эксперимент 10 раз, вытащили 10 черных шаров. Возможно? Вполне. Дает нам эта выборка какое-то разумное понятие об истинном распределение в мешке? Очевидно, что нет. Что надо сделать — правильно, повторить эксперимент миллион раз и рассчитать частоты выпадения черных и белых шаров. Получим, например 49.95% черных и 50.05% белых. В этом случае уже более-менее понятна структура распределения из которого мы семплируем (вынимаем один шарик).

Главное, что надо понять, что сам эксперимент имеет вероятностную природу, одним семплом (шариком) мы не узнаем истинную структуру распределения, нам надо многократно повторить эксперимент и усреднить результаты.

Добавим в наш мешок 10 красных и 10 зеленых шаров (ошибки). Повторим эксперимент 10 раз. Вытащили 5 красных и 5 зеленых. Возможно? Да. Можем что-то сказать об истинном распределении — Нет. Что надо сделать — ну вы поняли.

Для получения понимания о структуре вероятностного распределения надо многократно просемплировать единичные исходы из этого распределения и усреднить результаты.

Связываем теорию с практикой

Теперь вместо черных и белых шаров давайте возьмём бильярдные шары, и положим в мешок 1000 шаров с номером 2, 1000 с номером 7 и 10 шаров с другими номерами. Представим себе экспериментатора, который обучен простейшим действиям (достать шар, записать номер, положить шар обратно в мешок, перемешать шары в мешке) и делает он это за 150 микросекунд. Ну такой экспериментатор на спидах (не реклама наркотиков!!!). Тогда за 150 секунд он сможет провести наш эксперимент 1 миллион раз и предоставить нам результаты усреднения.

Усадили экспериментатора, дали мешок, отвернулись, подождали 150 секунд — получили:

номер 2 — 49.5%, номер 7 — 49.5%, остальные номера в сумме — 1%.

Да, все верно, наш мешок — это квантовый компьютер с алгоритмом, решающим нашу задачу, а шары — возможные варианты решения. Поскольку правильных решений два, то квантовый компьютер будет выдавать нам равновероятно любое из этих возможных решений, и 0. N).

И вот именно это свойство квантового компьютера — константность времени выполнения по отношению к возрастающей по степенному закону сложности пространства решений и является ключевым.

Кубит и параллельные миры

Как же это происходит? Что позволяет квантовому компьютеру так быстро производить расчеты? Все дело в квантовой природе кубита.

Смотрите, мы говорили, что кубит как квантовый объект реализует одно из двух своих состояний при его наблюдении, но в “живой природе” находится в суперпозиции состояний, то есть находится в обоих своих граничных состояниях одновременно (с некоторой вероятностью).

Возьмем (А)ндрея и представим его состояние (в каком он транспортном средстве — 0 или 1) как кубит. Тогда у нас возникает (в квантовом пространстве) два параллельных мира, в одном (А) сидит в такси 0, в другом мире — в такси 1. Одновременно в двух такси, но с некоторой вероятность найти его в каждом из них при наблюдении. N параллельных процессов решения, каждый из которых работает над одним возможным вариантом, потом собирает результаты работы — и выдает нам ответ в виде суперпозиции решения (вероятностного распределения ответов), из которого мы каждый раз (при каждом эксперименте ) семплируем одно.

Запомните время, необходимое нашему экспериментатору (150 мкс) для проведения эксперимента, это пригодится нам чуть дальше, когда мы будем говорить об основных проблемах квантовых компьютеров и о времени декогеренции.

(к оглавлению)

Как уже говорилось, обычные алгоритмы, основанные на бинарной логике, неприменимы к квантовому компьютеру, использующему квантовую логику (квантовые вентили). Для него пришлось придумывать новые, в полной мере использующие потенциал, заложенный в квантовую природу вычислений.

Наиболее известные на сегодняшний день алгоритмы это:

В отличие от классических, квантовые компьютеры не универсальны.
До сих пор найдено лишь небольшое число квантовых алгоритмов.(С)

Спасибо oxoron за ссылку на Quantum Algorithm Zoo, место, где, по уверениям автора («Stephen Jordan»), собраны и продолжают собираться лучшие представители квантово-алгоритмического мира.

В данной статье мы не будем подробно разбирать квантовые алгоритмы, в Сети много прекрасных материалов на любой уровень сложности, но кратко пробежаться по трем самым известным все-таки надо.

Алгоритм Шора.

(к оглавлению)

Наиболее известным квантовым алгоритмом является алгоритм Шора (придумал в 1994 году английский математик Питер Шор), который нацелен на решение задачи разложения чисел на простые множители (задача факторизации, дискретного логарифма).

Именно этот алгоритм приводят в пример, когда пишут о том, что ваши банковские системы и пароли скоро будут взломаны. Учитывая, что длина используемых на сегодняшний день ключей не менее чем 2048 бит, время для шапочки еще не пришло.

На сегодняшний день результаты более чем скромные. Лучшие результаты факторизации с помощью алгоритма Шора — числа 15 и 21, что сильно меньше, чем 2048 бит. Для остальных результатов из таблицы применялся иной алгоритм расчетов, но даже лучший по этому алгоритму результат (291311) сильно далек от реального применения.

Подробнее про алгоритм Шора можно почитать, например, вот тут. Про практическую реализацию — тут.

Одна из текущих оценок сложности и необходимой мощности для факторизации числа из 2048 бит это компьютер с 20 миллионами кубитов. Спим спокойно.

Алгоритм Гровера

(к оглавлению)

Алгоритм Гровера — квантовый алгоритм решения задачи перебора, то есть нахождения решения уравнения F(X) = 1, где F — есть булева функция от n переменных. Был предложен американским математиком Ловом Гровером в 1996 году.

Алгоритм Гровера может быть использован для нахождения медианы и среднего арифметического числового ряда. Кроме того, он может применяться для решения NP-полных задач путем исчерпывающего поиска среди множества возможных решений. Это может повлечь значительный прирост скорости по сравнению с классическими алгоритмами, хотя и не предоставляя «полиномиального решения» в общем виде.(С)

Подробнее можно почитать вот тут, или тут. Еще вот тут есть хорошее объяснение алгоритма на примере ящиков и мяча, но, к сожалению, по независящим ни от кого причинам, данный сайт у меня из России не открывается. Если у вас этот сайт тоже заблокирован, то вот краткая выжимка:

Алгоритм Гровера. Представьте, что у вас имеется N штук пронумерованных закрытых коробок. Они все пустые кроме одной, в которой находится мячик. Ваша задача: узнать номер коробки, в которой находится мячик (этот неизвестный номер часто обозначают буквой w).

Как решать эту задачу? Самым тупым способом, по очереди открывать коробки, и рано или поздно вы наткнетесь на коробку с мячиком. А сколько в среднем коробок нужно проверить до того, как будет обнаружена коробка с мячиком? В среднем нужно открыть примерно половину коробок N/2. Главное здесь то, что если мы увеличим число коробок в 100 раз, то в те же 100 раз увеличится и среднее число коробок, которые нужно открыть до того, как будет найдена коробка с мячиком.

Теперь сделаем ещё одно уточнение. Пусть мы не сами открываем коробки руками и проверяем наличие мячика в каждой, а имеется некий посредник, назовем его Оракул (Oracle). Мы говорим Оракулу — «проверь коробку номер 732», и Оракул честно проверяет и отвечает «в коробке номер 732 мячика нет». Теперь вместо слов о том, сколько коробок нам нужно в среднем открыть, мы говорим «сколько раз в среднем мы должны обратиться к Оракулу для того, чтобы найти номер коробки с мячиком»

Оказывается, что если перевести эту задачу с коробками, мячиком и Оракулом на квантовый язык, то выходит замечательный результат: для поиска номера коробки с мячиком среди N коробок нам нужно потревожить Оракула всего примерно SQRT(N) раз!

То есть сложность задачи перебора используя алгоритм Гровера снижается в квадратный корень раз.

Алгоритм Дойча-Йожи

(к оглавлению)

Алгоритм Дойча — Йожи (упоминается также как алгоритм Дойча — Джозы) — [квантовый алгоритм](https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный Давидом Дойчем и Ричардом Йожей в 1992 году, и ставший одним из первых примеров алгоритмов, предназначенных для выполнения на квантовых компьютерах. _

Задача Дойча — Йожи заключается в определении, является ли функция нескольких двоичных переменных F(x1, x2, … xn) постоянной (принимает либо значение 0, либо 1 при любых аргументах) или сбалансированной (для половины области определения принимает значение 0, для другой половины 1). При этом считается априорно известным, что функция либо является константой, либо сбалансирована. (С)

Еще можно почитать тут. Более простое объяснение:

Алгоритм Дойча (Дойча — Йожи) основан на переборе, но позволяет делать его быстрее обычного. Представьте, что на столе лежит монета и необходимо узнать фальшивая ли она или нет. Для этого нужно дважды посмотреть на монету и определить: «орел» и «решка» – настоящая, два «орла», две «решки» — фальшивая. Так вот, если использовать квантовый алгоритм Дойча, то это определение можно сделать одним взглядом – измерением. (С)

(к оглавлению)

При проектировании и эксплуатации квантовых компьютеров перед учеными и инженерами возникает огромное количество проблем, которые на сегодняшний день решаются с переменным успехом. Согласно исследованию (и еще вот тут) можно выделить следующий ряд проблем:

• Чувствительность к окружению и взаимодействию с окружением
• Накопление ошибок при вычислениях
• Сложности с начальной инициализации состояний кубитов
• Сложности с созданием многокубитных систем

Крайне рекомендую прочитать статью “Характеристики квантовых компьютеров”, особенно комментарии к ней.

Давайте организуем все основные проблемы в три большие группы и рассмотрим поподробнее каждую из них:

Декогеренция

(к оглавлению)

Описание от N+1.

Квантовое состояние очень хрупкая штука, кубиты в запутанном состоянии крайне нестабильны, любое внешнее воздействие может разрушить (и разрушает) эту связь. Изменение температуры на мельчайшую долю градуса, давление, пролетевший рядом случайный фотон — все это дестабилизирует нашу систему.

Для решения этой проблемы строят низкотемпературные саркофаги, в которых температура (-273.14 градуса цельсия) чуть-чуть выше абсолютного ноля, с максимальной изоляцией внутренней камеры с процессором от всех (возможных) воздействий внешней среды.

Максимальное время жизни квантовой системы из нескольких запутанных кубитов, в течение которого она сохраняет свои квантовые свойства и может быть использована для произведения вычислений, называют временем декогеренции.

На текущий момент время декогеренции в лучших квантовых решениях составляет порядка десятков и сотен микросекунд.

Есть прекрасный сайт, на котором можно посмотреть сравнительные таблицы параметров всех созданных квантовых систем. В эту статью для примера вынесены только два топовых процессора — от IBM IBM Q System One и от Google Sycamore. Как мы видим, время декогеренции (Т2) не превышает 200 мкс.

Я не нашел точных данных по Sycamore, но в самой статье о квантовом превосходстве приводятся две цифры — 1 миллион вычислений за 200 секунд, в другом месте — за 130 секунд без потерь на управляющие сигналы и прочее. В любом случае это дает нам время декогеренции порядка 150 мкс. Помните нашего экспериментатора с мешком? Ну так вот он.

Чем нам грозит декогеренция?

Основная проблема в том, что через 150 мкс наша вычислительная система из N запутанных кубитов начнет выдавать на выходе вместо вероятностного распределения правильных решений — вероятностный белый шум.

То есть нам надо:

• Инициализировать систему кубитов
• Провести вычисление (цепочка вентильных операций)
• Считать результат

И сделать все это за 150 мкс. Не успел — результат превратился в тыкву.

Но это еще не все…

Ошибки

(к оглавлению)

Как мы уже говорили, квантовые процессы и квантовые вычисления имеют вероятностную природу, мы не можем быть уверены на 100% ни в чем, а только с какой-то вероятностью. Ситуация усугубляется еще и тем, что квантовые вычисления подвержены ошибкам. Основные типы ошибок при квантовых вычислениях это:

• Ошибки декогеренции, обусловлены сложностью системы и взаимодействием с внешней средой
• Вычислительные ошибки гейтов (обусловлены квантовой природой вычислений)
• Ошибки считывания финального состояния (результата)

Ошибки, связанные с декогерентностью, возникают сразу же, как только мы запутали наши кубиты и начали производить вычисления. Чем больше кубитов мы запутали, тем сложнее система, и тем легче ее разрушить. Низкотемпературные саркофаги, защищенные камеры, все эти технологические ухищрения как раз направлены на то, чтобы снизить число ошибок и продлить время декогеренции.

Вычислительные ошибки гейтов — любая операция (вентиль) над кубитами может с некоторой вероятностью завершиться с ошибкой, а нам для реализации алгоритма нужно выполнить сотни вентилей, вот и представьте, что мы получим в конце выполнения нашего алгоритма. Классический вариант ответа на вопрос — “Какова вероятность встретить динозавра в лифте?” — 50х50, или встретишь или нет.

Проблема еще усугубляется тем, что стандартные методы коррекции ошибок (дублирование вычислений и усреднение) в квантовом мире не работают из-за теоремы о запрете клонирования. Для коррекции ошибок в квантовых вычислениях пришлось придумать квантовые же методы коррекции. Грубо говоря мы берем N обычных кубитов и делаем из них 1 логический кубит с меньшим уровнем ошибок.

Но тут возникает другая проблема — общее количество кубитов. Смотрите, допустим у нас есть процессор со 100 кубитами, из которых 80 кубитов заняты коррекцией ошибок, тогда нам для вычислений остается только 20.

Ошибки считывания финального результата — как мы помним, результат квантовых вычислений нам представлен в виде вероятностного распределения ответов. Но считывание финального состояния тоже может завершиться с ошибкой.

На том же сайте есть сравнительные таблицы процессоров по уровням ошибок. Для сравнения возьмем те же процессоры, что и в предыдущем примере — IBM IBM Q System One и Google Sycamore:

Здесь фиделити — мера схожести двух квантовых состояний. Величину ошибки можно грубо представить как 1-Fidelity. Как мы видим, ошибки на 2-х кубитных гейтах и ошибки считывания являются главным препятствием к выполнению сложных и длинных алгоритмов на существующих квантовых компьютерах.

Еще можно почитать роадмап от 2016 года от NQIT по решению задачи коррекции ошибок.

Архитектура процессора

(к оглавлению)

В теории мы строим и оперируем схемами из десятков запутанных кубитов, в реальности же все сложнее. Все существующие квантовые чипы (процессоры) построены таким образом, что обеспечивают безболезненное запутывание одного кубита только со своими соседями, которых не больше шести.

Если же нам надо запутать 1-й кубит, скажем, с 12-м, то нам придется строить цепочку дополнительных квантовых операций, задействовать дополнительные кубиты и прочее, что увеличивает общий уровень ошибок. Да, и не забывайте про время декогеренции, возможно к тому моменту, когда вы закончите связывать кубиты в нужную вам схему, время закончится и вся схема превратится в симпатичный генератор белого шума.

Также не забывайте, что архитектура у всех квантовых процессоров разная, и программу, написанную в эмуляторе в режиме “связность всех со всеми” нужно будет “перекомпилировать” в архитектуру конкретного чипа. Есть даже специальные программы оптимизаторы для выполнения этой операции.

Максимальная связность и максимальное количество кубитов для тех же топовых чипов:

И, для сравнения, таблица с данными предыдущего поколения процессоров. Сравните количество кубитов, время декогеренции и процент ошибок с тем, что мы имеем сейчас у нового поколения. Все-таки прогресс потихоньку, но движется.

Итак:

• На текущий момент нет полносвязных архитектурных схем из > 6 кубитов
• Чтобы на реальном процессоре запутать кубит 0 с, например, 15-м может потребоваться несколько десятков дополнительных операций
• Больше операций -> больше ошибок -> сильнее влияние декогерентности

Итоги

(к оглавлению)

Декогеренция — прокрустово ложе современных квантовых вычислений. В 150 мкс мы должны уложить все:

• Инициализацию начального состояния кубитов
• Вычисление задачи с использованием квантовых гейтов
• Провести коррекцию ошибок, чтобы получить значимый результат
• Считать полученный результат

Пока результаты неутешительные, хотя вот тут заявляют о достижении 0. 5с времени удержания когерентности на квантовом компьютере, основанном на ионных ловушках:

We measure a qubit coherence time in excess of 0.5 s, and with magnetic shielding we expect this to improve to be longer than 1000 s

Про эту технологию еще можно почитать здесь или, например, здесь.

Ситуация осложняется еще и тем, что при совершении сложных вычислений необходимо использовать квантовые схемы коррекции ошибок, что тоже отъедает и время, и доступные кубиты.

Ну и, наконец, современные архитектуры не позволяют с минимальными затратами реализовать схемы запутанности лучше, чем 1 к 4 или 1 к 6.

(к оглавлению)

Для решения вышеуказанных проблем, в настоящее время используют следующие подходы и методы:

• Использование криокамер с низкими температурами (10 мК (–273,14°C))
• Использование максимально защищенных от внешних воздействий процессорных блоков
• Использование систем квантовой коррекции ошибок (Логический кубит)
• Использование оптимизаторов при программировании схем для конкретного процессора

Также проводятся исследования, направленные на увеличение времени декогеренции, на поиск новых (и доработку известных) физических реализаций квантовых объектов, на оптимизацию схем коррекции и прочее и прочее. Прогресс есть (посмотрите выше на характеристики более ранних и топовых на сегодняшний день чипов), но пока идет медленно, очень очень медленно.

(к оглавлению)

2000-кубитный компьютер D-Wave 2000Q. Источник: D-Wave Systems

На фоне заявления Google о достижении квантового превосходства используя процессор с 53-мя кубитами, компьютеры и анонсы от компании D-Wave, в которых число кубитов исчисляется тысячами, несколько сбивает с толку. Ну действительно, если 53 кубита смогли достичь квантового превосходства, то на что же способен компьютер с 2048 кубитами? Но не все так хорошо…

Если коротко (взято из вики):

Компьютеры D-Wave работают на принципе квантовой релаксации (квантовый отжиг), могут решать крайне ограниченный подкласс задач оптимизации, и не подходят для реализации традиционных квантовых алгоритмов и квантовых вентилей.

Более подробно можно почитать, например, тут, тут (осторожно, может не открываться из России), или у Scott Aaronson в статье из его блога. Кстати, очень рекомендую почитать вообще его блог, там много хорошего материала

Вообще с самого начала анонсов у научного сообщества возникали вопросы к компьютерам D-Wave. Например, в 2014 году IBM поставила под сомнение факт, что D-Wave использует квантовые эффекты. Дело дошло до того, что в 2015 году Google вместе с NASA купила один из таких квантовых компьютеров и после исследований подтвердила, что таки да, компьютер работает и вычисляет задачу быстрее, чем обычный. Еще про заявление Google можно почитать тут и, например, тут.

Главное, что компьютеры D-Wave, с их сотнями и тысячами кубитов нельзя использовать для вычисления и запуска квантовых алгоритмов. На них нельзя запустить алгоритм Шора, например. Все, что они могут — это используя определенные квантовые механизмы решать определенную задачу оптимизации. Можно считать, что D-Wave это такой квантовый ASIC для конкретной задачи.

(к оглавлению)

Квантовые вычисления можно эмулировать на обычном компьютере. 63 комплексных умножений — 4 Пфлопс суперкомпьютера на протяжении 4 часов

Эмуляция квантового компьютера из 50+ кубит на классических системах считается невыполнимой за разумное время. В том числе из-за этого факта Google использовал для своего эксперимента с квантовым превосходством процессор с 53-мя кубитами.

(к оглавлению)

Википедия дает нам следующее определение квантового вычислительного превосходства:

Ква́нтовое превосхо́дство — способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, которые классические компьютеры практически не могут решить.

Фактически достижение квантового превосходства означает, что, например, факторизацию больших чисел по алогритму Шора можно решать за адекватное время, или можно эмулировать на квантовом уровне сложные химические молекулы, и так далее. То есть новая эпоха наступила.

Но в формулировке определения есть некоторая лазейка, “которые классические компьютеры практически не могут решить”. Фактически это означает, что если создать квантовый компьютер из 50+ кубитов и запустить на нем некоторую квантовую схему, то, как мы рассматривали выше, результат работы этой схемы невозможно будет сэмулировать на обычном компьютере. То есть классический компьютер воссоздать результат работы такой схемы будет не в состоянии.

Является ли такой результат реальным квантовым превосходством или нет, вопрос скорее философский. Но понимать, что сделал Google, и на чем основано его недавнее заявление о достижении квантового превосходства на своем новом процессоре Sycamore надо.

(к оглавлению)

54-кубитный процессор Sycamore

Итак, в октябре 2019 года разработчики Google опубликовали в научном издании Nature статью «Квантовое превосходство с применением программируемого сверхпроводящего процессора». Авторы объявили о достижении впервые в истории квантового превосходства с помощью 54-кубитного процессора «Sycamore».

В сети в статьях Sycamore часто упоминают то как 54-х кубитный процессор, то как 53-х. Истина в том, что согласно оригинальной статье, процессор физически состоит из 54-х кубитов, но один из них нерабочий и выведен из эксплуатации. Таким образом, в реальности мы имеем 53-х кубитный процессор.

В Сети тут же появилось множество материалов на эту тему, градус которых варьировался от восторженных до скептических.

Позднее сотрудники отдела квантовых вычислений компании IBM заявили, что Google ложно сообщила о достижении квантового превосходства. В компании утверждают, что обычный вычислитель справится с этой задачей в худшем случае за 2,5 дня, и при этом полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Такой вывод был сделан по итогам проведенного теоретического анализа нескольких способов оптимизации.

Ну и, конечно, Scott Aaronson в своем блоге не смог обойти своим вниманием это заявление. Его анализ вместе со всеми ссылками и Scott’s Supreme Quantum Supremacy FAQ! как обычно стоят того, чтобы потратить на них свое время. На хабре есть перевод этого FAQ, и обязательно почитайте комментарии, там есть ссылки на предварительные документы, утекшие в Сеть до официального объявления.

Что же в реальности сделал Google? Для детального понимания почитайте Ааронсона, а кратко вот:

Я могу, конечно, вам сказать, но чувствую себя при этом глуповато. Вычисление такое: экспериментатор генерирует случайную квантовую схему С (т.е. Случайную последовательность 1-кубитных и 2-кубитных — между ближайшими соседями — вентилей, с глубиной к примеру в 20, действующую на 2D сеть n=50-60 кубитов). После этого экспериментатор посылает С на квантовый компьютер, и просит его применить С к начальному состоянию из 0, измерить результат в базисе {0,1}, послать обратно n-битную наблюдаемую последовательность (строку) и повторить несколько тысяч или миллионов раз. Наконец, используя свое знание о С, экспериментатор проводит статистическую проверку на соответствие результата с ожидаемым выходом от квантового компьютера.

Совсем коротко:

• Создается случайная схема длиной 20 из 53 кубитов используя вентили
• Схема запускается с начальным состоянием [0…0] на выполнение
• Выход схемы представляет собой случайную битовую строку (семпл)
• Распределение результата не является случайным (интерференция)
• Распределение полученных семплов сравнивается с ожидаемым
• Делается вывод о квантовом превосходстве

То есть Google реализовал синтетическую задачу на 53-х кубитном процессоре, и свое заявление о достижении квантового превосходства основывает на факте невозможности эмуляции такого процессора на стандартных системах за разумное время.

Для понимания — в этом разделе нисколько не умаляется достижение Google, инженеры действительно молодцы, а вопрос о том можно считать это реальным квантовым превосходством или нет, как уже говорилось ранее, скорее философский, чем инженерный. Но надо понимать, что достигнув такого вычислительного превосходства мы ни на шаг не продвинулись к возможности запускать алгоритм Шора на 2048-и битных числах.

(к оглавлению)

Квантовые компьютеры и квантовые вычисления — очень многообещающая, очень молодая и пока малоприменимая в промышленном плане область информационных технологий.

Развитие квантовых вычислений позволит (когда-нибудь) решать задачи:

• Моделирования сложных физических систем на квантовом уровне
• Нерешаемые на обычном компьютере из-за вычислительной сложности

Основные проблемы при создании и эксплуатации квантовых компьютеров:

• Декогеренция
• Ошибки (декогеренции и вентильные)
• Архитектура процессоров (полносвязные схемы кубитов)

Состояние дел на текущий момент:

• По факту — самое начальное R&D.
• РЕАЛЬНОЙ коммерческой эксплуатации еще нет (и непонятно, когда будет)

Что может помочь:

• Какое-то физическое открытие, снижающее затраты на обвязку и эксплуатацию процессоров
• Открытие чего-то, что на порядок увеличит время декогеренции и/или снизит число ошибок

На мой взгляд (исключительно личное мнение), в текущей научной парадигме знаний мы не добьемся значительных успехов в развитии квантовых технологий, тут нужен качественный прорыв в какой-либо области фундаментальной или прикладной науки, который даст толчок новым идеям и методам.

Ну а пока — нарабатываем опыт в квантовом программировании, собираем и создаем квантовые алгоритмы, тестируем идеи и прочее и прочее. Ждем прорыва.

(к оглавлению)

В этой статье мы с вами прошлись по основным вехам развития квантовых вычислений и квантовых компьютеров, разобрали принцип их работы, рассмотрели основные проблемы, стоящие перед инженерами при разработке и эксплуатации квантовых процессоров, а также посмотрели что на самом деле представляют из себя многокубитные компьютеры D-Wave и недавнее заявление Google о достижении квантового превосходства.

За кадром остались вопросы программирования квантовых компьютеров (языки, подходы, методы и т.д.) и вопросы, связанные с конкретной физической реализацией процессоров, как происходит управление кубитами, связывание, считывание и т.д. Возможно, это будет тема следующей статьи или статей.

Спасибо за внимание, надеюсь эта статья будет кому-нибудь полезной.

(С) Kruegger

(к оглавлению)

@Oxoron за вычитку и замечания по исходному тексту, а также за статью “Характеристики квантовых компьютеров”

@a5b за информационно-насыщенные комментарии к “Характеристики квантовых компьютеров”, да и не только к ней, которые во многом помогли мне разобраться с этим пазлом.

Всем авторам статей и публикаций, материалы которых были использованы при написании этой статьи.

(к оглавлению)

Статьи с Хабра (в случайном порядке)
Неотсортированные (но не менее интересные) статьи с просторов Сети
Курсы и лекции

электронных схем | HowStuffWorks

Возможно, вы слышали термин «микросхема », «», особенно когда речь идет о компьютерном оборудовании. Чип — это крошечный кусок кремния, обычно около одного квадратного сантиметра. Микросхема может представлять собой единственный транзистор (кусок кремния, который усиливает электрические сигналы или служит переключателем включения / выключения в компьютерных приложениях). Это также может быть интегральная схема , состоящая из множества соединенных между собой транзисторов. Чипы заключены в герметичный пластиковый или керамический корпус, который называется корпусом .Иногда люди называют весь пакет микросхемой, но на самом деле микросхема находится внутри упаковки.

Существует два основных типа ИС — монолитная и гибридная . Монолитные ИС включают всю схему на одном кремниевом кристалле. Их сложность может варьироваться от нескольких транзисторов до миллионов транзисторов на микропроцессорной микросхеме компьютера. Гибридная ИС имеет схему с несколькими микросхемами, заключенными в единый корпус. Микросхемы в гибридной ИС могут представлять собой комбинацию транзисторов, резисторов, конденсаторов и монолитных микросхем ИС.

Печатная плата , или PCB, удерживает вместе электронную схему. Готовая печатная плата с прикрепленными компонентами представляет собой печатную плату в сборе или PCBA. Многослойная печатная плата может иметь до 10 уложенных друг на друга печатных плат. Гальванические медные проводники, проходящие через отверстия, называемые переходными отверстиями , соединяют отдельные печатные платы, образуя трехмерную электронную схему.

Самыми важными элементами в электронной схеме являются транзисторы. Диоды представляют собой крошечные кремниевые чипы, которые действуют как клапаны, позволяя току течь только в одном направлении. Другие электронные компоненты пассивные элементы , например резисторы и конденсаторы . Резисторы обеспечивают определенное сопротивление току, а конденсаторы накапливают электрический заряд. Третий основной пассивный элемент схемы — это индуктор , который накапливает энергию в виде магнитного поля. В микроэлектронных схемах очень редко используются индукторы, но они часто встречаются в более крупных силовых цепях.

Большинство схем разработано с использованием программ автоматизированного проектирования или САПР. Многие схемы, используемые в цифровых компьютерах, чрезвычайно сложны и используют миллионы транзисторов, поэтому САПР — единственный практический способ их проектирования. Разработчик схем начинает с общей спецификации функционирования схемы, а программа САПР составляет сложную схему соединений.

При травлении металлического рисунка межсоединений на печатной плате или микросхеме используется устойчивый к травлению маскирующий слой для определения рисунка цепи.Открытый металл вытравливается, оставляя рисунок соединения металла между компонентами.

Почему в электронных схемах используется переменный ток?

В электронных схемах расстояния и токи очень малы, так зачем использовать переменный ток? Прежде всего, токи и напряжения в этих цепях представляют собой постоянно меняющиеся явления, поэтому электрические представления или аналоги также постоянно меняются. Вторая причина заключается в том, что радиоволны (например, те, которые используются в телевизорах, микроволновых печах и сотовых телефонах) являются высокочастотными сигналами переменного тока.Частоты, используемые для всех типов беспроводной связи, неуклонно совершенствовались с годами, от диапазона килогерц (кГц) на заре радио до мегагерц (МГц) и гигагерц (ГГц) сегодня.

В электронных схемах используется постоянный ток для питания транзисторов и других компонентов электронных систем. Выпрямитель Схема преобразует мощность переменного тока в постоянный из сетевого напряжения переменного тока.

Связанные статьи HowStuffWorks

Дополнительные ссылки

Источники

• Все о схемах.http://www.allaboutcircuits.com/
• Уроки электрических цепей. http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/
• Концепции электрических цепей. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/electric/ecircon.html
• Уроки электрических цепей. http://www.electriccircuits.net/

Как работают интегральные схемы?

Как работают интегральные схемы? — Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 28 июня 2021 г.

Вы когда-нибудь слышали о компьютере 1940-х годов? называется ENIAC? Он был примерно такой же длины и веса, как три-четыре двухэтажных автобуса. содержал 18 000 гудящих электронных переключателей, известных как электронные лампы. Несмотря на свои гигантские размеры, это были тысячи в разы менее мощный, чем современный ноутбук — машина примерно в 100 раз меньше.

Если история вычислительной техники звучит как волшебный трюк — выжать все больше и больше мощности во все меньшее и меньшее пространство — это так! Что сделало это возможно было изобретение интегрированного схема (IC) в 1958 г.Это отличный способ набить сотни, тысячи, миллионы или даже миллиарды электронных компонентов на крошечные чипы кремния нет больше ногтя. Давайте подробнее рассмотрим микросхемы и то, как они работают!

Фото: Интегральная схема снаружи. Он поставляется в удобной форме, называемой двухрядным корпусом (DIP), который состоит из черного пластика или керамический внешний корпус с металлическими штырями по бокам для подключения к электронной плате большего размера (коричневая деталь, которую вы видите на заднем плане).Фактическая схема, которая выполняет эту работу, представляет собой крошечный чип, встроенный в DIP; вы можете увидеть, как он подключен к внешним контактам DIP на следующей фотографии.

Что такое интегральная схема?

Откройте телевизор или радио, и вы увидите, что оно построено вокруг Печатная плата (PCB) : немного похожа на электрическую карту улиц с маленький электронный компоненты (например, резисторы и конденсаторы) на месте здания и печатные медные соединения связывая их вместе как миниатюрные металлические улочки.Печатные платы хороши в небольших таких приборов, но если вы попытаетесь использовать ту же технику для построить сложную электронную машину, например компьютер, вы быстро врезался в препятствие. Даже самому простому компьютеру нужно восемь электронных переключает на хранение одного байта (символа) информации. Итак, если вы хотите построить компьютер с достаточным объемом памяти для хранения этого абзаца, вы смотрите примерно 750 символов умноженные на 8 или около 6000 переключателей — за один абзац! Если вы любите переключатели, как в ENIAC — электронные лампы размером с взрослый палец — скоро вы получите колоссально большой, энергоемкая машина, которой нужно собственное мини-электричество завод, чтобы он работал.

Фото: «Электрическая карта улиц»: Интегральная схема (справа) на печатной плате (PCB) с различными обычными электронными компонентами.

Когда в 1947 году три американских физика изобрели транзисторы, несколько улучшилось. Транзисторы были размером с электронные лампы и реле. (электромагнитные переключатели, которые начали заменять электронные лампы в середина 1940-х годов), потребляли гораздо меньше энергии и были гораздо более надежными. Но все еще оставалась проблема соединить все эти транзисторы вместе в сложных схемах.Даже после того, как были изобретены транзисторы, компьютеры по-прежнему представляли собой спутанную массу проводов.

Фото: Интегральные схемы вставляются в печатные платы (ПП), как зеленая, которую вы видите здесь. Обратите внимание на тонкие дорожки, соединяющие «ножки» (клеммы) двух разных ИС. Другие дорожки связывают ИС с обычными электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы. Вы можете думать о дорожках как о «улицах», прокладывающих пути между «зданиями», где делаются полезные вещи (сами компоненты).Также существует миниатюрная версия печатной платы внутри интегральной схемы: дорожки создаются в микроскопической форме на поверхности кремниевой пластины.

Интегральные схемы все изменили. Основная идея заключалась в том, чтобы взять полная схема, со всеми ее многочисленными компонентами и связями между их, и воссоздать все это в микроскопически крошечной форме на поверхности кусок кремния. Это была потрясающе умная идея, и она реализована возможные всевозможные «микроэлектронные» гаджеты, которые мы сейчас принимаем за предоставлено, от цифровых часов и карманные калькуляторы на Луну ракеты и ракеты со встроенной спутниковой навигацией.

Фото: Интегральная схема изнутри. Если бы вы могли снять крышку с типичного микрочипа, такого как тот, что на верхнем фото (а это не очень легко — поверьте, я пробовал!), Вы бы нашли внутри именно это. Интегральная схема — это крошечный квадрат в центре. От него выходят соединения к клеммам (металлическим штырям или ножкам) по краю. Когда вы подключаете что-либо к одной из этих клемм, вы фактически подключаетесь к самой цепи. Вы можете практически увидеть рисунок электронных компонентов на поверхности самого чипа.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Закон Мура

Интегральные схемы произвели революцию в электронике и вычислительной технике в 1960-х и 1970-х годах. Первый, инженеры помещали десятки компонентов на микросхему в так называемой маломасштабной интеграции (SSI). Вскоре последовала средне-масштабная интеграция (MSI) с сотнями компонентов в области такого же размера. Как и ожидалось, примерно в 1970 году крупномасштабная интеграция (БИС) принесла тысячи компонентов, очень крупномасштабная интеграция (СБИС) дали нам десятки тысяч и миллионы сверхбольших масштабов (ULSI) — и все на микросхемах не больше, чем они был раньше.В 1965 году Гордон Мур из компании Intel, ведущего производителя микросхем, заметил, что количество компонентов на микросхеме удваивалась примерно каждые один-два года. Закон Мура , как это известно, продолжает действовать с тех пор. В интервью The New York Times 50 лет спустя, в 2015 году, Мур выразил свое удивление по поводу того, что закон продолжает оставаться в силе: «Первоначальное предсказание заключалось в том, чтобы смотреть на 10 лет, что, по моему мнению, было большой натяжкой. Это исходило примерно из 60 элементов. на интегральной схеме до 60 000 — тысячекратная экстраполяция за 10 лет.Я думал, что это было довольно дико. То, что нечто подобное происходит уже 50 лет, поистине удивительно ».

Диаграмма

: Закон Мура: количество транзисторов, упакованных в микрочипы, примерно удваивается каждый год или два за последние пять десятилетий — другими словами, оно растет в геометрической прогрессии. Если вы построите график количества транзисторов (ось y) в зависимости от года выпуска (ось x) для некоторых распространенных микрочипов за последние несколько десятилетий (желтые звезды), вы получите экспоненциальную кривую; вместо этого построив логарифм, вы получите прямую линию.Обратите внимание, что вертикальная ось (y) на этой диаграмме является логарифмической. и (из-за графического программного обеспечения OpenOffice, которое я использовал) горизонтальная ось (x) имеет лишь неопределенную линейную форму. Источник: построено с использованием данных Transistor Count, Wikipedia, сверено с данными из других источников.

Рекламные ссылки

Как делаются интегральные схемы?

Как сделать что-то вроде микросхемы памяти или процессора для компьютера? Все начинается с необработанного химического элемента, такого как кремний, который подвергается химической обработке или легированию, чтобы придать ему другие электрические свойства…

Легирование полупроводников

Фото: кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Если вы читали наши статьи о диодах и транзисторы, ты будешь знаком с идеей полупроводников . Традиционно люди думали о материалах, которые можно разделить на две аккуратные категории: которые позволяют электричеству течь через их довольно легко (проводники) и те, что нет (изоляторы). Металлы составляют большую часть проводников, а неметаллы, такие как пластик, дерево и стекло изоляторы.На самом деле все гораздо сложнее, особенно когда речь идет об определенных элементы в середине периодической таблицы (в группах 14 и 15), особенно кремний и германий. Обычно изоляторы, эти элементы могут быть заставить вести себя больше как проводники, если мы добавим небольшое количество примеси к ним в процессе, известном как легирование . Если вы добавите сурьму в кремний, вы получите немного больше электронов, чем он. обычно имеет — и способность проводить электричество. Кремний «легированный» таким образом называется n-type .Добавляем бор вместо сурьмы и вы удаляете часть электронов кремния, оставляя после себя «дырки» которые работают как «отрицательные электроны», несущие положительный электрический ток в обратном порядке. Такой кремний называется p-type . Расположение областей кремния n-типа и p-типа рядом друг с другом создает переходы, в которых электроны ведут себя очень интересным образом — и это как мы создаем электронные компоненты на основе полупроводников, такие как диоды, транзисторы и воспоминания.

Внутри завода по производству микросхем

Фото: Интегральные схемы производятся в безупречно чистых условиях; Рабочие должны носить вот такие «костюмы для кроликов», чтобы не допустить заражения чипов, которые они производят.Это завод Intel по производству пластин в Чандлере, Аризона, США. Фото любезно предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Процесс создания интегральной схемы начинается с большого монокристалл кремния, имеющий форму длинной сплошной трубки, которая «нарезана салями» на тонкие диски (про габариты компакт-диска) вафли называются . Пластины разделены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочип).Тогда тысячи, миллионы или миллиарды компонентов создается на каждом чипе путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в Кремний n-типа или p-типа. Допинг осуществляется множеством разных процессы. В одном из них, известном как напыление , ионы легирующего материала стреляют по кремниевой пластине, как пули из пистолет. Другой процесс называется осаждение из паровой фазы . включает введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создают тонкую пленку на поверхности кремния вафля.Молекулярно-лучевая эпитаксия это гораздо более точная форма осаждения.

Конечно, создание интегральных схем, содержащих сотни, миллионы, или миллиарды компонентов на кремниевом кристалле размером с ноготь — это все немного сложнее и запутаннее, чем кажется. Представьте себе хаос даже пятнышко грязи может вызвать, когда вы работаете на микроскопический (а иногда даже наноскопический) шкала. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях, называемых чистых комнат , где воздух тщательно продувается фильтрованный и рабочие должны входить и выходить через шлюзы в любых защитная одежда.

Как сделать микрочип — краткое описание

Хотя создание микросхемы очень сложно и сложно, на самом деле существует всего шесть отдельных шагов (некоторые из них повторяется более одного раза). Процесс значительно упрощен, вот как это работает:

1. Изготовление пластин: мы выращиваем чистые кристаллы кремния в длинные цилиндры и разрезаем их (как салями) на тонкие пластины, каждая из которых в конечном итоге будет разрезана на множество чипов.
2. Маскирование: мы нагреваем пластины, чтобы покрыть их диоксидом кремния, и используем ультрафиолетовый свет (синий), чтобы добавить твердый защитный слой, называемый фоторезистом.
3. Травление: мы используем химические вещества для удаления части фоторезиста, создавая своего рода шаблон, показывающий, где нам нужны области кремния n-типа и p-типа.
4. Легирование: Мы нагреваем протравленные пластины газами, содержащими примеси, для образования областей кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.
5. Тестирование: длинные металлические соединительные провода проходят от испытательной машины с компьютерным управлением до клемм на каждой микросхеме. Любые чипы, которые не работают, помечаются и отклоняются.
6. Упаковка: Все нормально работающие чипы вырезаны из пластины и упакованы в защитные куски пластика, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

Кто изобрел интегральную схему?

Вы, наверное, читали в книгах, что ИС были разработаны совместно Джек Килби (1923–2005) и Роберт Нойс (1927–1990), как если бы эти двое мужчин с радостью сотрудничали в их гениальном изобретении! Фактически, Килби и Нойс идея пришла в голову самостоятельно, более или менее точно так же время, вызвав яростную битву за права на изобретение, которое был совсем не счастлив.

Как два человека могли изобрести одно и то же в одно и то же время? Легкий: Идея интегральных схем ждала воплощения. К середине 1950-х гг. мир (и, в частности, военные) открыли удивительный потенциал электронных компьютеров, и это ослепляюще для таких провидцев, как Килби и Нойс, было очевидно, что лучший способ сборки и подключения транзисторов в больших количества. Килби работал в Texas Instruments, когда наткнулся на свою идею он назвал принципом монолитности : пытаясь построить все различные части электронной схемы на кремниевом чипе.12 сентября 1958 года он вручную собрал первую в мире грубую интегральную схему. используя чип из германия (полупроводниковый элемент, подобный кремний) и Texas Instruments подали заявку на патент на идея в следующем году.

Между тем, в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (образованной небольшая группа сотрудников, которые изначально работали над транзистором пионер Уильям Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрой схемы его собственные.В 1959 году он использовал серию фотографических и химические методы, известные как планарный процесс (который только что был разработан коллегой Жаном Орни) создать первую практическую интегральную схему, метод, который Фэирчайлд затем попытался патент.

Работа: Snap! Два великих инженера-электрика, Джек Килби и Роберт Нойс, пришли к той же идее почти в одно и то же время в 1959 году. Хотя Килби первым подал свой патент, патент Нойса был выдан раньше.Вот рисунки из их оригинальных патентных заявок. Вы можете видеть, что у нас, по сути, одна и та же идея с электронными компонентами, сформированными из переходов между слоями полупроводников p-типа (синий) и n-типа (красный). Подключения к областям p-типа и n-типа показаны оранжевым и желтым, а базовые слои (подложки) показаны зеленым. Картины любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США с нашей собственной добавленной окраской, чтобы улучшить ясность и подчеркнуть сходство. Вы можете найти ссылки на сами патенты в приведенных ниже ссылках.

Между работой двух мужчин и Техасом было значительное совпадение. Instruments и Fairchild на протяжении большей части 1960-х годов боролись в судах за то, кто действительно разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 г. компании согласились разделить идею.

Килби и Нойс теперь по праву считаются соавторами возможно, самая важная и далеко идущая технология, разработанная в 20-м веке. век. Оба мужчины были введены в Национальный зал изобретателей Слава (Килби в 1982 году, Нойс в следующем году) и Килби прорыв был также отмечен присуждением половины доли в Нобелевская премия в Физика в 2000 году (как очень великодушно отметил Килби в своей благодарственной речи, Нойс, несомненно, разделил бы приз, если бы он не умер от сердечного приступа десятью годами ранее).

В то время как Килби помнят как блестящего ученого, наследие Нойса имеет большое значение. добавленное измерение. В 1968 году он стал соучредителем компании Intel Electronics. с Гордон Мур (1929–), который продолжил разработку микропроцессора (однокристальный компьютер) в 1974 году. С IBM, Microsoft, Apple и др. компаниям-новаторам, Intel приписывают помощь в создании доступные персональные компьютеры для дома и на работе. Спасибо Нойсу и Килби и блестящих инженеров, которые впоследствии основывались на своей работе, сейчас используется около двух миллиардов компьютеров. во всем мире многие из них встроены в мобильные телефоны, портативные устройства спутниковой навигации и другие электронные устройства.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

• Хотите узнать больше о пионерах? Посмотрите на эти страницы о Джек Килби, первоначально опубликовано на веб-сайте Texas Instruments или посетите музей Intel, чтобы узнать о Роберте Нойсе, Гордоне Муре и их коллегах. На обоих сайтах есть великолепная коллекция фотографии ранних интегральных схем.

Статьи

• Startup Graphcore берет верх над Nvidia с последней версией A.I. Чип Джереми Кан, Fortune, 15 июля 2020 г. Представлен транзисторный чип на 59 миллиардов долларов!
• Хорошее, плохое и странное: 3 направления закона Мура Сэмюэля К. Мура. IEEE Spectrum, 26 октября 2018 г. Взгляд на недавний технический прогресс в получении новой жизни из старого закона.
• Intel находит следующий шаг закона Мура при 10 нанометрах, автор Рэйчел Кортленд. IEEE Spectrum, 30 декабря 2016 г. Как новый завод по производству микросхем поможет Intel вдохнуть новую жизнь в закон Мура.
• Закон Мура «Закончилось место, технология ищет преемника» Джона Маркова.The New York Times, 4 мая 2016 г. Почему это имеет значение, если производители микросхем больше не могут следовать закону Мура?
• Закон Мура менее важен для технической индустрии? пользователя Quentin Hardy. Нью-Йорк Таймс. 25 июля 2014 г. Изменение рабочих привычек и появление облачных вычислений меняют ожидания людей от своих компьютеров, а это означает, что закон Мура уже не так важен, как был.
• Замедляет ли конец закона Мура мировую гонку суперкомпьютеров? пользователя Роберт Макмиллан.Wired, 23 июня 2014 г. Суперкомпьютеры не становятся быстрее так быстро, как раньше. Неужели закон Мура, наконец, подходит к концу?
• «25 микрочипов, потрясших мир» Брайана Санто. IEEE Spectrum, 1 мая 2009 г. Если вы думаете, что микросхема — это просто микросхема, подумайте еще раз. В этой статье перечислены два десятка классических микросхем, от схем таймера до флэш-памяти и синтезаторов речи до микропроцессоров, которые радикально изменили историю вычислений.

Книги

История

Технологии

Видео

• От песка к кремнию: Intel показывает вам процесс создания микрочипа, начиная с пустыни (с песка, который дает нам кремний) и заканчивая готовым чипом.Довольно изящное видео, но некоторые комментарии или объяснения не пропали бы даром: это видео действительно имеет смысл только в том случае, если вы уже знаете обо всех процессах, которые вам показывают.

Патенты

Один из лучших способов узнать об изобретениях — это прочитать, как сами изобретатели видели и представляли свои собственные идеи; патенты предлагают отличный способ сделать это. Для тех, кто хочет получить более подробную информацию, вот пара ключевых патентов Килби и Нойса, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США 3,115,581: Миниатюрная полупроводниковая интегральная схема от Джека С.Kilby, Texas Instruments, подана 6 мая 1959 г. и опубликована 24 декабря 1963 г. Описывает основную идею создания интегральных схем «с использованием только одного материала для всех элементов схемы и ограниченного числа совместимых этапов процесса для их производства».
• Патент США 2 981877: Полупроводниковое устройство и структура выводов Роберта Н. Нойса, Fairchild Semiconductor, поданный 30 июля 1959 г. и выданный 25 апреля 1961 г. Хотя Нойс подал заявку на это изобретение через два месяца после Килби, патент Нойса был предоставлен более чем через два месяца. годами ранее, что способствовало ожесточенной битве между Texas Instruments и Fairchild за то, кто именно изобрел интегральную схему.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитируйте эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2020) Интегральные схемы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/integratedcircuits.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают интегральные схемы?

Как работают интегральные схемы? — Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 28 июня 2021 г.

Вы когда-нибудь слышали о компьютере 1940-х годов? называется ENIAC? Он был примерно такой же длины и веса, как три-четыре двухэтажных автобуса. содержал 18 000 гудящих электронных переключателей, известных как электронные лампы.Несмотря на свои гигантские размеры, это были тысячи в разы менее мощный, чем современный ноутбук — машина примерно в 100 раз меньше.

Если история вычислительной техники звучит как волшебный трюк — выжать все больше и больше мощности во все меньшее и меньшее пространство — это так! Что сделало это возможно было изобретение интегрированного схема (IC) в 1958 году. Это изящный способ набить сотни, тысячи, миллионы или даже миллиарды электронных компонентов на крошечные чипы кремния нет больше ногтя.Давайте подробнее рассмотрим микросхемы и то, как они работают!

Фото: Интегральная схема снаружи. Он поставляется в удобной форме, называемой двухрядным корпусом (DIP), который состоит из черного пластика или керамический внешний корпус с металлическими штырями по бокам для подключения к электронной плате большего размера (коричневая деталь, которую вы видите на заднем плане). Фактическая схема, которая выполняет эту работу, представляет собой крошечный чип, встроенный в DIP; вы можете увидеть, как он подключен к внешним контактам DIP на следующей фотографии.

Что такое интегральная схема?

Откройте телевизор или радио, и вы увидите, что оно построено вокруг Печатная плата (PCB) : немного похожа на электрическую карту улиц с маленький электронный компоненты (например, резисторы и конденсаторы) на месте здания и печатные медные соединения связывая их вместе как миниатюрные металлические улочки. Печатные платы хороши в небольших таких приборов, но если вы попытаетесь использовать ту же технику для построить сложную электронную машину, например компьютер, вы быстро врезался в препятствие.Даже самому простому компьютеру нужно восемь электронных переключает на хранение одного байта (символа) информации. Итак, если вы хотите построить компьютер с достаточным объемом памяти для хранения этого абзаца, вы смотрите примерно 750 символов умноженные на 8 или около 6000 переключателей — за один абзац! Если вы любите переключатели, как в ENIAC — электронные лампы размером с взрослый палец — скоро вы получите колоссально большой, энергоемкая машина, которой нужно собственное мини-электричество завод, чтобы он работал.

Фото: «Электрическая карта улиц»: Интегральная схема (справа) на печатной плате (PCB) с различными обычными электронными компонентами.

Когда в 1947 году три американских физика изобрели транзисторы, несколько улучшилось. Транзисторы были размером с электронные лампы и реле. (электромагнитные переключатели, которые начали заменять электронные лампы в середина 1940-х годов), потребляли гораздо меньше энергии и были гораздо более надежными. Но все еще оставалась проблема соединить все эти транзисторы вместе в сложных схемах.Даже после того, как были изобретены транзисторы, компьютеры по-прежнему представляли собой спутанную массу проводов.

Фото: Интегральные схемы вставляются в печатные платы (ПП), как зеленая, которую вы видите здесь. Обратите внимание на тонкие дорожки, соединяющие «ножки» (клеммы) двух разных ИС. Другие дорожки связывают ИС с обычными электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы. Вы можете думать о дорожках как о «улицах», прокладывающих пути между «зданиями», где делаются полезные вещи (сами компоненты).Также существует миниатюрная версия печатной платы внутри интегральной схемы: дорожки создаются в микроскопической форме на поверхности кремниевой пластины.

Интегральные схемы все изменили. Основная идея заключалась в том, чтобы взять полная схема, со всеми ее многочисленными компонентами и связями между их, и воссоздать все это в микроскопически крошечной форме на поверхности кусок кремния. Это была потрясающе умная идея, и она реализована возможные всевозможные «микроэлектронные» гаджеты, которые мы сейчас принимаем за предоставлено, от цифровых часов и карманные калькуляторы на Луну ракеты и ракеты со встроенной спутниковой навигацией.

Фото: Интегральная схема изнутри. Если бы вы могли снять крышку с типичного микрочипа, такого как тот, что на верхнем фото (а это не очень легко — поверьте, я пробовал!), Вы бы нашли внутри именно это. Интегральная схема — это крошечный квадрат в центре. От него выходят соединения к клеммам (металлическим штырям или ножкам) по краю. Когда вы подключаете что-либо к одной из этих клемм, вы фактически подключаетесь к самой цепи. Вы можете практически увидеть рисунок электронных компонентов на поверхности самого чипа.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Закон Мура

Интегральные схемы произвели революцию в электронике и вычислительной технике в 1960-х и 1970-х годах. Первый, инженеры помещали десятки компонентов на микросхему в так называемой маломасштабной интеграции (SSI). Вскоре последовала средне-масштабная интеграция (MSI) с сотнями компонентов в области такого же размера. Как и ожидалось, примерно в 1970 году крупномасштабная интеграция (БИС) принесла тысячи компонентов, очень крупномасштабная интеграция (СБИС) дали нам десятки тысяч и миллионы сверхбольших масштабов (ULSI) — и все на микросхемах не больше, чем они был раньше.В 1965 году Гордон Мур из компании Intel, ведущего производителя микросхем, заметил, что количество компонентов на микросхеме удваивалась примерно каждые один-два года. Закон Мура , как это известно, продолжает действовать с тех пор. В интервью The New York Times 50 лет спустя, в 2015 году, Мур выразил свое удивление по поводу того, что закон продолжает оставаться в силе: «Первоначальное предсказание заключалось в том, чтобы смотреть на 10 лет, что, по моему мнению, было большой натяжкой. Это исходило примерно из 60 элементов. на интегральной схеме до 60 000 — тысячекратная экстраполяция за 10 лет.Я думал, что это было довольно дико. То, что нечто подобное происходит уже 50 лет, поистине удивительно ».

Диаграмма

: Закон Мура: количество транзисторов, упакованных в микрочипы, примерно удваивается каждый год или два за последние пять десятилетий — другими словами, оно растет в геометрической прогрессии. Если вы построите график количества транзисторов (ось y) в зависимости от года выпуска (ось x) для некоторых распространенных микрочипов за последние несколько десятилетий (желтые звезды), вы получите экспоненциальную кривую; вместо этого построив логарифм, вы получите прямую линию.Обратите внимание, что вертикальная ось (y) на этой диаграмме является логарифмической. и (из-за графического программного обеспечения OpenOffice, которое я использовал) горизонтальная ось (x) имеет лишь неопределенную линейную форму. Источник: построено с использованием данных Transistor Count, Wikipedia, сверено с данными из других источников.

Рекламные ссылки

Как делаются интегральные схемы?

Как сделать что-то вроде микросхемы памяти или процессора для компьютера? Все начинается с необработанного химического элемента, такого как кремний, который подвергается химической обработке или легированию, чтобы придать ему другие электрические свойства…

Легирование полупроводников

Фото: кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Если вы читали наши статьи о диодах и транзисторы, ты будешь знаком с идеей полупроводников . Традиционно люди думали о материалах, которые можно разделить на две аккуратные категории: которые позволяют электричеству течь через их довольно легко (проводники) и те, что нет (изоляторы). Металлы составляют большую часть проводников, а неметаллы, такие как пластик, дерево и стекло изоляторы.На самом деле все гораздо сложнее, особенно когда речь идет об определенных элементы в середине периодической таблицы (в группах 14 и 15), особенно кремний и германий. Обычно изоляторы, эти элементы могут быть заставить вести себя больше как проводники, если мы добавим небольшое количество примеси к ним в процессе, известном как легирование . Если вы добавите сурьму в кремний, вы получите немного больше электронов, чем он. обычно имеет — и способность проводить электричество. Кремний «легированный» таким образом называется n-type .Добавляем бор вместо сурьмы и вы удаляете часть электронов кремния, оставляя после себя «дырки» которые работают как «отрицательные электроны», несущие положительный электрический ток в обратном порядке. Такой кремний называется p-type . Расположение областей кремния n-типа и p-типа рядом друг с другом создает переходы, в которых электроны ведут себя очень интересным образом — и это как мы создаем электронные компоненты на основе полупроводников, такие как диоды, транзисторы и воспоминания.

Внутри завода по производству микросхем

Фото: Интегральные схемы производятся в безупречно чистых условиях; Рабочие должны носить вот такие «костюмы для кроликов», чтобы не допустить заражения чипов, которые они производят.Это завод Intel по производству пластин в Чандлере, Аризона, США. Фото любезно предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Процесс создания интегральной схемы начинается с большого монокристалл кремния, имеющий форму длинной сплошной трубки, которая «нарезана салями» на тонкие диски (про габариты компакт-диска) вафли называются . Пластины разделены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочип).Тогда тысячи, миллионы или миллиарды компонентов создается на каждом чипе путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в Кремний n-типа или p-типа. Допинг осуществляется множеством разных процессы. В одном из них, известном как напыление , ионы легирующего материала стреляют по кремниевой пластине, как пули из пистолет. Другой процесс называется осаждение из паровой фазы . включает введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создают тонкую пленку на поверхности кремния вафля.Молекулярно-лучевая эпитаксия это гораздо более точная форма осаждения.

Конечно, создание интегральных схем, содержащих сотни, миллионы, или миллиарды компонентов на кремниевом кристалле размером с ноготь — это все немного сложнее и запутаннее, чем кажется. Представьте себе хаос даже пятнышко грязи может вызвать, когда вы работаете на микроскопический (а иногда даже наноскопический) шкала. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях, называемых чистых комнат , где воздух тщательно продувается фильтрованный и рабочие должны входить и выходить через шлюзы в любых защитная одежда.

Как сделать микрочип — краткое описание

Хотя создание микросхемы очень сложно и сложно, на самом деле существует всего шесть отдельных шагов (некоторые из них повторяется более одного раза). Процесс значительно упрощен, вот как это работает:

1. Изготовление пластин: мы выращиваем чистые кристаллы кремния в длинные цилиндры и разрезаем их (как салями) на тонкие пластины, каждая из которых в конечном итоге будет разрезана на множество чипов.
2. Маскирование: мы нагреваем пластины, чтобы покрыть их диоксидом кремния, и используем ультрафиолетовый свет (синий), чтобы добавить твердый защитный слой, называемый фоторезистом.
3. Травление: мы используем химические вещества для удаления части фоторезиста, создавая своего рода шаблон, показывающий, где нам нужны области кремния n-типа и p-типа.
4. Легирование: Мы нагреваем протравленные пластины газами, содержащими примеси, для образования областей кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.
5. Тестирование: длинные металлические соединительные провода проходят от испытательной машины с компьютерным управлением до клемм на каждой микросхеме. Любые чипы, которые не работают, помечаются и отклоняются.
6. Упаковка: Все нормально работающие чипы вырезаны из пластины и упакованы в защитные куски пластика, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

Кто изобрел интегральную схему?

Вы, наверное, читали в книгах, что ИС были разработаны совместно Джек Килби (1923–2005) и Роберт Нойс (1927–1990), как если бы эти двое мужчин с радостью сотрудничали в их гениальном изобретении! Фактически, Килби и Нойс идея пришла в голову самостоятельно, более или менее точно так же время, вызвав яростную битву за права на изобретение, которое был совсем не счастлив.

Как два человека могли изобрести одно и то же в одно и то же время? Легкий: Идея интегральных схем ждала воплощения. К середине 1950-х гг. мир (и, в частности, военные) открыли удивительный потенциал электронных компьютеров, и это ослепляюще для таких провидцев, как Килби и Нойс, было очевидно, что лучший способ сборки и подключения транзисторов в больших количества. Килби работал в Texas Instruments, когда наткнулся на свою идею он назвал принципом монолитности : пытаясь построить все различные части электронной схемы на кремниевом чипе.12 сентября 1958 года он вручную собрал первую в мире грубую интегральную схему. используя чип из германия (полупроводниковый элемент, подобный кремний) и Texas Instruments подали заявку на патент на идея в следующем году.

Между тем, в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (образованной небольшая группа сотрудников, которые изначально работали над транзистором пионер Уильям Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрой схемы его собственные.В 1959 году он использовал серию фотографических и химические методы, известные как планарный процесс (который только что был разработан коллегой Жаном Орни) создать первую практическую интегральную схему, метод, который Фэирчайлд затем попытался патент.

Работа: Snap! Два великих инженера-электрика, Джек Килби и Роберт Нойс, пришли к той же идее почти в одно и то же время в 1959 году. Хотя Килби первым подал свой патент, патент Нойса был выдан раньше.Вот рисунки из их оригинальных патентных заявок. Вы можете видеть, что у нас, по сути, одна и та же идея с электронными компонентами, сформированными из переходов между слоями полупроводников p-типа (синий) и n-типа (красный). Подключения к областям p-типа и n-типа показаны оранжевым и желтым, а базовые слои (подложки) показаны зеленым. Картины любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США с нашей собственной добавленной окраской, чтобы улучшить ясность и подчеркнуть сходство. Вы можете найти ссылки на сами патенты в приведенных ниже ссылках.

Между работой двух мужчин и Техасом было значительное совпадение. Instruments и Fairchild на протяжении большей части 1960-х годов боролись в судах за то, кто действительно разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 г. компании согласились разделить идею.

Килби и Нойс теперь по праву считаются соавторами возможно, самая важная и далеко идущая технология, разработанная в 20-м веке. век. Оба мужчины были введены в Национальный зал изобретателей Слава (Килби в 1982 году, Нойс в следующем году) и Килби прорыв был также отмечен присуждением половины доли в Нобелевская премия в Физика в 2000 году (как очень великодушно отметил Килби в своей благодарственной речи, Нойс, несомненно, разделил бы приз, если бы он не умер от сердечного приступа десятью годами ранее).

В то время как Килби помнят как блестящего ученого, наследие Нойса имеет большое значение. добавленное измерение. В 1968 году он стал соучредителем компании Intel Electronics. с Гордон Мур (1929–), который продолжил разработку микропроцессора (однокристальный компьютер) в 1974 году. С IBM, Microsoft, Apple и др. компаниям-новаторам, Intel приписывают помощь в создании доступные персональные компьютеры для дома и на работе. Спасибо Нойсу и Килби и блестящих инженеров, которые впоследствии основывались на своей работе, сейчас используется около двух миллиардов компьютеров. во всем мире многие из них встроены в мобильные телефоны, портативные устройства спутниковой навигации и другие электронные устройства.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

• Хотите узнать больше о пионерах? Посмотрите на эти страницы о Джек Килби, первоначально опубликовано на веб-сайте Texas Instruments или посетите музей Intel, чтобы узнать о Роберте Нойсе, Гордоне Муре и их коллегах. На обоих сайтах есть великолепная коллекция фотографии ранних интегральных схем.

Статьи

• Startup Graphcore берет верх над Nvidia с последней версией A.I. Чип Джереми Кан, Fortune, 15 июля 2020 г. Представлен транзисторный чип на 59 миллиардов долларов!
• Хорошее, плохое и странное: 3 направления закона Мура Сэмюэля К. Мура. IEEE Spectrum, 26 октября 2018 г. Взгляд на недавний технический прогресс в получении новой жизни из старого закона.
• Intel находит следующий шаг закона Мура при 10 нанометрах, автор Рэйчел Кортленд. IEEE Spectrum, 30 декабря 2016 г. Как новый завод по производству микросхем поможет Intel вдохнуть новую жизнь в закон Мура.
• Закон Мура «Закончилось место, технология ищет преемника» Джона Маркова.The New York Times, 4 мая 2016 г. Почему это имеет значение, если производители микросхем больше не могут следовать закону Мура?
• Закон Мура менее важен для технической индустрии? пользователя Quentin Hardy. Нью-Йорк Таймс. 25 июля 2014 г. Изменение рабочих привычек и появление облачных вычислений меняют ожидания людей от своих компьютеров, а это означает, что закон Мура уже не так важен, как был.
• Замедляет ли конец закона Мура мировую гонку суперкомпьютеров? пользователя Роберт Макмиллан.Wired, 23 июня 2014 г. Суперкомпьютеры не становятся быстрее так быстро, как раньше. Неужели закон Мура, наконец, подходит к концу?
• «25 микрочипов, потрясших мир» Брайана Санто. IEEE Spectrum, 1 мая 2009 г. Если вы думаете, что микросхема — это просто микросхема, подумайте еще раз. В этой статье перечислены два десятка классических микросхем, от схем таймера до флэш-памяти и синтезаторов речи до микропроцессоров, которые радикально изменили историю вычислений.

Книги

История

Технологии

Видео

• От песка к кремнию: Intel показывает вам процесс создания микрочипа, начиная с пустыни (с песка, который дает нам кремний) и заканчивая готовым чипом.Довольно изящное видео, но некоторые комментарии или объяснения не пропали бы даром: это видео действительно имеет смысл только в том случае, если вы уже знаете обо всех процессах, которые вам показывают.

Патенты

Один из лучших способов узнать об изобретениях — это прочитать, как сами изобретатели видели и представляли свои собственные идеи; патенты предлагают отличный способ сделать это. Для тех, кто хочет получить более подробную информацию, вот пара ключевых патентов Килби и Нойса, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США 3,115,581: Миниатюрная полупроводниковая интегральная схема от Джека С.Kilby, Texas Instruments, подана 6 мая 1959 г. и опубликована 24 декабря 1963 г. Описывает основную идею создания интегральных схем «с использованием только одного материала для всех элементов схемы и ограниченного числа совместимых этапов процесса для их производства».
• Патент США 2 981877: Полупроводниковое устройство и структура выводов Роберта Н. Нойса, Fairchild Semiconductor, поданный 30 июля 1959 г. и выданный 25 апреля 1961 г. Хотя Нойс подал заявку на это изобретение через два месяца после Килби, патент Нойса был предоставлен более чем через два месяца. годами ранее, что способствовало ожесточенной битве между Texas Instruments и Fairchild за то, кто именно изобрел интегральную схему.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитируйте эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2020) Интегральные схемы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/integratedcircuits.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают интегральные схемы?

Как работают интегральные схемы? — Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 28 июня 2021 г.

Вы когда-нибудь слышали о компьютере 1940-х годов? называется ENIAC? Он был примерно такой же длины и веса, как три-четыре двухэтажных автобуса. содержал 18 000 гудящих электронных переключателей, известных как электронные лампы.Несмотря на свои гигантские размеры, это были тысячи в разы менее мощный, чем современный ноутбук — машина примерно в 100 раз меньше.

Если история вычислительной техники звучит как волшебный трюк — выжать все больше и больше мощности во все меньшее и меньшее пространство — это так! Что сделало это возможно было изобретение интегрированного схема (IC) в 1958 году. Это изящный способ набить сотни, тысячи, миллионы или даже миллиарды электронных компонентов на крошечные чипы кремния нет больше ногтя.Давайте подробнее рассмотрим микросхемы и то, как они работают!

Фото: Интегральная схема снаружи. Он поставляется в удобной форме, называемой двухрядным корпусом (DIP), который состоит из черного пластика или керамический внешний корпус с металлическими штырями по бокам для подключения к электронной плате большего размера (коричневая деталь, которую вы видите на заднем плане). Фактическая схема, которая выполняет эту работу, представляет собой крошечный чип, встроенный в DIP; вы можете увидеть, как он подключен к внешним контактам DIP на следующей фотографии.

Что такое интегральная схема?

Откройте телевизор или радио, и вы увидите, что оно построено вокруг Печатная плата (PCB) : немного похожа на электрическую карту улиц с маленький электронный компоненты (например, резисторы и конденсаторы) на месте здания и печатные медные соединения связывая их вместе как миниатюрные металлические улочки. Печатные платы хороши в небольших таких приборов, но если вы попытаетесь использовать ту же технику для построить сложную электронную машину, например компьютер, вы быстро врезался в препятствие.Даже самому простому компьютеру нужно восемь электронных переключает на хранение одного байта (символа) информации. Итак, если вы хотите построить компьютер с достаточным объемом памяти для хранения этого абзаца, вы смотрите примерно 750 символов умноженные на 8 или около 6000 переключателей — за один абзац! Если вы любите переключатели, как в ENIAC — электронные лампы размером с взрослый палец — скоро вы получите колоссально большой, энергоемкая машина, которой нужно собственное мини-электричество завод, чтобы он работал.

Фото: «Электрическая карта улиц»: Интегральная схема (справа) на печатной плате (PCB) с различными обычными электронными компонентами.

Когда в 1947 году три американских физика изобрели транзисторы, несколько улучшилось. Транзисторы были размером с электронные лампы и реле. (электромагнитные переключатели, которые начали заменять электронные лампы в середина 1940-х годов), потребляли гораздо меньше энергии и были гораздо более надежными. Но все еще оставалась проблема соединить все эти транзисторы вместе в сложных схемах.Даже после того, как были изобретены транзисторы, компьютеры по-прежнему представляли собой спутанную массу проводов.

Фото: Интегральные схемы вставляются в печатные платы (ПП), как зеленая, которую вы видите здесь. Обратите внимание на тонкие дорожки, соединяющие «ножки» (клеммы) двух разных ИС. Другие дорожки связывают ИС с обычными электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы. Вы можете думать о дорожках как о «улицах», прокладывающих пути между «зданиями», где делаются полезные вещи (сами компоненты).Также существует миниатюрная версия печатной платы внутри интегральной схемы: дорожки создаются в микроскопической форме на поверхности кремниевой пластины.

Интегральные схемы все изменили. Основная идея заключалась в том, чтобы взять полная схема, со всеми ее многочисленными компонентами и связями между их, и воссоздать все это в микроскопически крошечной форме на поверхности кусок кремния. Это была потрясающе умная идея, и она реализована возможные всевозможные «микроэлектронные» гаджеты, которые мы сейчас принимаем за предоставлено, от цифровых часов и карманные калькуляторы на Луну ракеты и ракеты со встроенной спутниковой навигацией.

Фото: Интегральная схема изнутри. Если бы вы могли снять крышку с типичного микрочипа, такого как тот, что на верхнем фото (а это не очень легко — поверьте, я пробовал!), Вы бы нашли внутри именно это. Интегральная схема — это крошечный квадрат в центре. От него выходят соединения к клеммам (металлическим штырям или ножкам) по краю. Когда вы подключаете что-либо к одной из этих клемм, вы фактически подключаетесь к самой цепи. Вы можете практически увидеть рисунок электронных компонентов на поверхности самого чипа.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Закон Мура

Интегральные схемы произвели революцию в электронике и вычислительной технике в 1960-х и 1970-х годах. Первый, инженеры помещали десятки компонентов на микросхему в так называемой маломасштабной интеграции (SSI). Вскоре последовала средне-масштабная интеграция (MSI) с сотнями компонентов в области такого же размера. Как и ожидалось, примерно в 1970 году крупномасштабная интеграция (БИС) принесла тысячи компонентов, очень крупномасштабная интеграция (СБИС) дали нам десятки тысяч и миллионы сверхбольших масштабов (ULSI) — и все на микросхемах не больше, чем они был раньше.В 1965 году Гордон Мур из компании Intel, ведущего производителя микросхем, заметил, что количество компонентов на микросхеме удваивалась примерно каждые один-два года. Закон Мура , как это известно, продолжает действовать с тех пор. В интервью The New York Times 50 лет спустя, в 2015 году, Мур выразил свое удивление по поводу того, что закон продолжает оставаться в силе: «Первоначальное предсказание заключалось в том, чтобы смотреть на 10 лет, что, по моему мнению, было большой натяжкой. Это исходило примерно из 60 элементов. на интегральной схеме до 60 000 — тысячекратная экстраполяция за 10 лет.Я думал, что это было довольно дико. То, что нечто подобное происходит уже 50 лет, поистине удивительно ».

Диаграмма

: Закон Мура: количество транзисторов, упакованных в микрочипы, примерно удваивается каждый год или два за последние пять десятилетий — другими словами, оно растет в геометрической прогрессии. Если вы построите график количества транзисторов (ось y) в зависимости от года выпуска (ось x) для некоторых распространенных микрочипов за последние несколько десятилетий (желтые звезды), вы получите экспоненциальную кривую; вместо этого построив логарифм, вы получите прямую линию.Обратите внимание, что вертикальная ось (y) на этой диаграмме является логарифмической. и (из-за графического программного обеспечения OpenOffice, которое я использовал) горизонтальная ось (x) имеет лишь неопределенную линейную форму. Источник: построено с использованием данных Transistor Count, Wikipedia, сверено с данными из других источников.

Рекламные ссылки

Как делаются интегральные схемы?

Как сделать что-то вроде микросхемы памяти или процессора для компьютера? Все начинается с необработанного химического элемента, такого как кремний, который подвергается химической обработке или легированию, чтобы придать ему другие электрические свойства…

Легирование полупроводников

Фото: кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Если вы читали наши статьи о диодах и транзисторы, ты будешь знаком с идеей полупроводников . Традиционно люди думали о материалах, которые можно разделить на две аккуратные категории: которые позволяют электричеству течь через их довольно легко (проводники) и те, что нет (изоляторы). Металлы составляют большую часть проводников, а неметаллы, такие как пластик, дерево и стекло изоляторы.На самом деле все гораздо сложнее, особенно когда речь идет об определенных элементы в середине периодической таблицы (в группах 14 и 15), особенно кремний и германий. Обычно изоляторы, эти элементы могут быть заставить вести себя больше как проводники, если мы добавим небольшое количество примеси к ним в процессе, известном как легирование . Если вы добавите сурьму в кремний, вы получите немного больше электронов, чем он. обычно имеет — и способность проводить электричество. Кремний «легированный» таким образом называется n-type .Добавляем бор вместо сурьмы и вы удаляете часть электронов кремния, оставляя после себя «дырки» которые работают как «отрицательные электроны», несущие положительный электрический ток в обратном порядке. Такой кремний называется p-type . Расположение областей кремния n-типа и p-типа рядом друг с другом создает переходы, в которых электроны ведут себя очень интересным образом — и это как мы создаем электронные компоненты на основе полупроводников, такие как диоды, транзисторы и воспоминания.

Внутри завода по производству микросхем

Фото: Интегральные схемы производятся в безупречно чистых условиях; Рабочие должны носить вот такие «костюмы для кроликов», чтобы не допустить заражения чипов, которые они производят.Это завод Intel по производству пластин в Чандлере, Аризона, США. Фото любезно предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Процесс создания интегральной схемы начинается с большого монокристалл кремния, имеющий форму длинной сплошной трубки, которая «нарезана салями» на тонкие диски (про габариты компакт-диска) вафли называются . Пластины разделены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочип).Тогда тысячи, миллионы или миллиарды компонентов создается на каждом чипе путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в Кремний n-типа или p-типа. Допинг осуществляется множеством разных процессы. В одном из них, известном как напыление , ионы легирующего материала стреляют по кремниевой пластине, как пули из пистолет. Другой процесс называется осаждение из паровой фазы . включает введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создают тонкую пленку на поверхности кремния вафля.Молекулярно-лучевая эпитаксия это гораздо более точная форма осаждения.

Конечно, создание интегральных схем, содержащих сотни, миллионы, или миллиарды компонентов на кремниевом кристалле размером с ноготь — это все немного сложнее и запутаннее, чем кажется. Представьте себе хаос даже пятнышко грязи может вызвать, когда вы работаете на микроскопический (а иногда даже наноскопический) шкала. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях, называемых чистых комнат , где воздух тщательно продувается фильтрованный и рабочие должны входить и выходить через шлюзы в любых защитная одежда.

Как сделать микрочип — краткое описание

Хотя создание микросхемы очень сложно и сложно, на самом деле существует всего шесть отдельных шагов (некоторые из них повторяется более одного раза). Процесс значительно упрощен, вот как это работает:

1. Изготовление пластин: мы выращиваем чистые кристаллы кремния в длинные цилиндры и разрезаем их (как салями) на тонкие пластины, каждая из которых в конечном итоге будет разрезана на множество чипов.
2. Маскирование: мы нагреваем пластины, чтобы покрыть их диоксидом кремния, и используем ультрафиолетовый свет (синий), чтобы добавить твердый защитный слой, называемый фоторезистом.
3. Травление: мы используем химические вещества для удаления части фоторезиста, создавая своего рода шаблон, показывающий, где нам нужны области кремния n-типа и p-типа.
4. Легирование: Мы нагреваем протравленные пластины газами, содержащими примеси, для образования областей кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.
5. Тестирование: длинные металлические соединительные провода проходят от испытательной машины с компьютерным управлением до клемм на каждой микросхеме. Любые чипы, которые не работают, помечаются и отклоняются.
6. Упаковка: Все нормально работающие чипы вырезаны из пластины и упакованы в защитные куски пластика, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

Кто изобрел интегральную схему?

Вы, наверное, читали в книгах, что ИС были разработаны совместно Джек Килби (1923–2005) и Роберт Нойс (1927–1990), как если бы эти двое мужчин с радостью сотрудничали в их гениальном изобретении! Фактически, Килби и Нойс идея пришла в голову самостоятельно, более или менее точно так же время, вызвав яростную битву за права на изобретение, которое был совсем не счастлив.

Как два человека могли изобрести одно и то же в одно и то же время? Легкий: Идея интегральных схем ждала воплощения. К середине 1950-х гг. мир (и, в частности, военные) открыли удивительный потенциал электронных компьютеров, и это ослепляюще для таких провидцев, как Килби и Нойс, было очевидно, что лучший способ сборки и подключения транзисторов в больших количества. Килби работал в Texas Instruments, когда наткнулся на свою идею он назвал принципом монолитности : пытаясь построить все различные части электронной схемы на кремниевом чипе.12 сентября 1958 года он вручную собрал первую в мире грубую интегральную схему. используя чип из германия (полупроводниковый элемент, подобный кремний) и Texas Instruments подали заявку на патент на идея в следующем году.

Между тем, в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (образованной небольшая группа сотрудников, которые изначально работали над транзистором пионер Уильям Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрой схемы его собственные.В 1959 году он использовал серию фотографических и химические методы, известные как планарный процесс (который только что был разработан коллегой Жаном Орни) создать первую практическую интегральную схему, метод, который Фэирчайлд затем попытался патент.

Работа: Snap! Два великих инженера-электрика, Джек Килби и Роберт Нойс, пришли к той же идее почти в одно и то же время в 1959 году. Хотя Килби первым подал свой патент, патент Нойса был выдан раньше.Вот рисунки из их оригинальных патентных заявок. Вы можете видеть, что у нас, по сути, одна и та же идея с электронными компонентами, сформированными из переходов между слоями полупроводников p-типа (синий) и n-типа (красный). Подключения к областям p-типа и n-типа показаны оранжевым и желтым, а базовые слои (подложки) показаны зеленым. Картины любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США с нашей собственной добавленной окраской, чтобы улучшить ясность и подчеркнуть сходство. Вы можете найти ссылки на сами патенты в приведенных ниже ссылках.

Между работой двух мужчин и Техасом было значительное совпадение. Instruments и Fairchild на протяжении большей части 1960-х годов боролись в судах за то, кто действительно разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 г. компании согласились разделить идею.

Килби и Нойс теперь по праву считаются соавторами возможно, самая важная и далеко идущая технология, разработанная в 20-м веке. век. Оба мужчины были введены в Национальный зал изобретателей Слава (Килби в 1982 году, Нойс в следующем году) и Килби прорыв был также отмечен присуждением половины доли в Нобелевская премия в Физика в 2000 году (как очень великодушно отметил Килби в своей благодарственной речи, Нойс, несомненно, разделил бы приз, если бы он не умер от сердечного приступа десятью годами ранее).

В то время как Килби помнят как блестящего ученого, наследие Нойса имеет большое значение. добавленное измерение. В 1968 году он стал соучредителем компании Intel Electronics. с Гордон Мур (1929–), который продолжил разработку микропроцессора (однокристальный компьютер) в 1974 году. С IBM, Microsoft, Apple и др. компаниям-новаторам, Intel приписывают помощь в создании доступные персональные компьютеры для дома и на работе. Спасибо Нойсу и Килби и блестящих инженеров, которые впоследствии основывались на своей работе, сейчас используется около двух миллиардов компьютеров. во всем мире многие из них встроены в мобильные телефоны, портативные устройства спутниковой навигации и другие электронные устройства.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

• Хотите узнать больше о пионерах? Посмотрите на эти страницы о Джек Килби, первоначально опубликовано на веб-сайте Texas Instruments или посетите музей Intel, чтобы узнать о Роберте Нойсе, Гордоне Муре и их коллегах. На обоих сайтах есть великолепная коллекция фотографии ранних интегральных схем.

Статьи

• Startup Graphcore берет верх над Nvidia с последней версией A.I. Чип Джереми Кан, Fortune, 15 июля 2020 г. Представлен транзисторный чип на 59 миллиардов долларов!
• Хорошее, плохое и странное: 3 направления закона Мура Сэмюэля К. Мура. IEEE Spectrum, 26 октября 2018 г. Взгляд на недавний технический прогресс в получении новой жизни из старого закона.
• Intel находит следующий шаг закона Мура при 10 нанометрах, автор Рэйчел Кортленд. IEEE Spectrum, 30 декабря 2016 г. Как новый завод по производству микросхем поможет Intel вдохнуть новую жизнь в закон Мура.
• Закон Мура «Закончилось место, технология ищет преемника» Джона Маркова.The New York Times, 4 мая 2016 г. Почему это имеет значение, если производители микросхем больше не могут следовать закону Мура?
• Закон Мура менее важен для технической индустрии? пользователя Quentin Hardy. Нью-Йорк Таймс. 25 июля 2014 г. Изменение рабочих привычек и появление облачных вычислений меняют ожидания людей от своих компьютеров, а это означает, что закон Мура уже не так важен, как был.
• Замедляет ли конец закона Мура мировую гонку суперкомпьютеров? пользователя Роберт Макмиллан.Wired, 23 июня 2014 г. Суперкомпьютеры не становятся быстрее так быстро, как раньше. Неужели закон Мура, наконец, подходит к концу?
• «25 микрочипов, потрясших мир» Брайана Санто. IEEE Spectrum, 1 мая 2009 г. Если вы думаете, что микросхема — это просто микросхема, подумайте еще раз. В этой статье перечислены два десятка классических микросхем, от схем таймера до флэш-памяти и синтезаторов речи до микропроцессоров, которые радикально изменили историю вычислений.

Книги

История

Технологии

Видео

• От песка к кремнию: Intel показывает вам процесс создания микрочипа, начиная с пустыни (с песка, который дает нам кремний) и заканчивая готовым чипом.Довольно изящное видео, но некоторые комментарии или объяснения не пропали бы даром: это видео действительно имеет смысл только в том случае, если вы уже знаете обо всех процессах, которые вам показывают.

Патенты

Один из лучших способов узнать об изобретениях — это прочитать, как сами изобретатели видели и представляли свои собственные идеи; патенты предлагают отличный способ сделать это. Для тех, кто хочет получить более подробную информацию, вот пара ключевых патентов Килби и Нойса, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США 3,115,581: Миниатюрная полупроводниковая интегральная схема от Джека С.Kilby, Texas Instruments, подана 6 мая 1959 г. и опубликована 24 декабря 1963 г. Описывает основную идею создания интегральных схем «с использованием только одного материала для всех элементов схемы и ограниченного числа совместимых этапов процесса для их производства».
• Патент США 2 981877: Полупроводниковое устройство и структура выводов Роберта Н. Нойса, Fairchild Semiconductor, поданный 30 июля 1959 г. и выданный 25 апреля 1961 г. Хотя Нойс подал заявку на это изобретение через два месяца после Килби, патент Нойса был предоставлен более чем через два месяца. годами ранее, что способствовало ожесточенной битве между Texas Instruments и Fairchild за то, кто именно изобрел интегральную схему.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитируйте эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2020) Интегральные схемы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/integratedcircuits.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работает интегрированная схема | Микросхемы ASIC

В 1958 году была изобретена интегральная схема (ИС), которая позволяла передавать больше энергии в меньшее пространство. Очень эффективная альтернатива гудящим электронным лампам, в тысячи раз менее мощная, чем современный ноутбук, и в 100 раз меньшая, чем ENIAC 1940-х годов.

Что такое интегральная схема?

Интегральные схемы — это комбинация диодов, микропроцессоров и транзисторов в минимизированной форме на кремниевой пластине. Каждый из этих компонентов выполняет определенную функцию. В сочетании друг с другом они могут выполнять вычисления и выполнять несколько задач.

• Диоды — это электронные устройства, контролирующие протекание тока в цепи.Диоды также управляют направлением тока, при этом они позволяют току течь только по определенным путям.
Транзисторы
• — эти компоненты используются для хранения напряжений или стабилизатора цепи. Их можно использовать для усиления данного сигнала и использовать в качестве переключателей в цифровых схемах. Они могут пропускать определенное количество напряжения в схему с использованием затвора, открывающегося при определенном напряжении.
Микропроцессоры
• — эти компоненты являются наиболее важной частью интегральной схемы.Это предназначено для предоставления памяти системе. Точно так же он дает память для выполнения вычислений и следования определенному протоколу или логике. Это указывает микропроцессору обрабатывать данные и электричество в системе. Таким образом, он становится операционной системой интегральной схемы, позволяя компонентам взаимодействовать друг с другом.

Интегральные схемы сегодня можно найти почти в каждом электроприборе, от телевизора до наручных часов и от ПК до соковыжималок.Области применения безграничны для ИС, в которых все может быть спроектировано и построено с использованием дискретных электронных компонентов и помещено в интегральную схему.

Некоторыми примерами микросхем являются усилители звука, логические устройства, устройства памяти, радиочастотные декодеры и кодеры, а также видеопроцессоры. Но вычисления — одно из основных приложений для ИС. Таким образом, вместо тысяч транзисторов в компьютерах в былые времена, современные ПК имеют лишь несколько микросхем.

Интегральная схема специального назначения (ASIC)

Одно из применений ИС — это микросхема ASIC, которая предназначена для определенной цели, а не для универсальной микросхемы.Одно из приложений ASIC — это то, что работает в цифровом диктофоне.

Дизайн структурированных ASIC

Микросхемы ASIC

изготавливаются с использованием технологии металлооксидных полупроводников или в виде интегральных микросхем MOS. Новой тенденцией в полупроводниковой промышленности является дизайн структурированных микросхем ASIC или платформенных ASIC.

Полностью настраиваемая ASIC

Еще одна разработка ASIC, используемая в отрасли, — это полностью настраиваемая конструкция микросхемы ASIC, которая определяет все фотолитографические слои устройства.Они используются как для проектирования ASIC, так и для стандартного дизайна продукта.

Преимущества полностью настраиваемой конструкции включают уменьшение площади, повышение производительности и интеграцию аналоговых компонентов. Однако это приведет к увеличению времени производства и проектирования, усложнению автоматизированного проектирования и повышению требований к квалификации команды разработчиков.

Матрица затворов и частично нестандартная конструкция

Другой метод производства, при котором заранее определены диффузные слои и электронные пластины хранятся на складе до стадии металлизации в процессе изготовления.Рассеянные слои состоят из транзисторов и других активных устройств.

---

Linear MicroSystems, Inc. с гордостью предлагает свои услуги по всему миру, а также в прилегающих районах и городах вокруг нашей штаб-квартиры в Ирвине, Калифорния: Mission Viejo, Laguna Niguel, Huntington Beach, Santa Ana, Fountain Valley, Anaheim, Orange Графство, Фуллертон и Лос-Анджелес.

Основы для печатных плат

— learn.sparkfun.com

Обзор

Одно из ключевых понятий в электронике — это печатная плата или печатная плата.Это настолько фундаментально, что люди часто забывают объяснить, что такое PCB . В этом руководстве мы разберем, из чего состоит печатная плата, и разберем некоторые общие термины, используемые в мире печатных плат.

На следующих нескольких страницах мы обсудим состав печатной платы, рассмотрим некоторую терминологию, взглянем на методы сборки и кратко обсудим процесс проектирования, лежащий в основе создания новой печатной платы.

Рекомендуемая литература

Перед тем, как начать, вы можете ознакомиться с некоторыми концепциями, которые мы используем в этом руководстве:

---

Переводы

Минь Туан любезно перевел этот учебник на вьетнамский язык.Посмотреть перевод можно здесь.

Что такое печатная плата?

Печатная плата — наиболее распространенное название, но ее также можно называть «печатными монтажными платами» или «печатными монтажными платами». До появления печатных плат схемы создавались посредством трудоемкого процесса двухточечной проводки. Это приводило к частым сбоям в соединениях проводов и коротким замыканиям, когда изоляция проводов начинала стареть и трескаться.

->
предоставлено пользователем Википедии Wikinaut <-

Значительным достижением стала разработка обмотки проводов, при которой провод небольшого калибра буквально наматывается на столб в каждой точке соединения, создавая газонепроницаемое соединение, которое является очень прочным и легко заменяемым.

По мере того, как электроника перешла от электронных ламп и реле к кремниевым и интегральным схемам, размер и стоимость электронных компонентов начали уменьшаться. Электроника стала более распространенной в потребительских товарах, и давление, направленное на уменьшение размеров и затрат на производство электронной продукции, побудило производителей искать лучшие решения. Так родилась печатная плата.

PCB — это аббревиатура от печатной платы . Это доска, на которой есть линии и контактные площадки, соединяющие различные точки вместе.На изображении выше есть следы, которые электрически соединяют различные разъемы и компоненты друг с другом. Печатная плата позволяет передавать сигналы и питание между физическими устройствами. Припой — это металл, который обеспечивает электрические соединения между поверхностью печатной платы и электронными компонентами. Припой, являясь металлом, также служит прочным механическим клеем.

Композиция

Печатная плата похожа на слоеный пирог или лазанью — есть чередующиеся слои разных материалов, которые ламинируются вместе с помощью тепла и клея, так что в результате получается единый объект.

Давайте начнем с середины и продолжим работу.

FR4

Основным материалом или подложкой обычно является стекловолокно. Исторически наиболее распространенным обозначением для этого стекловолокна является «FR4». Этот прочный сердечник придает печатной плате жесткость и толщину. Существуют также гибкие печатные платы, построенные на гибком жаропрочном пластике (каптоне или аналоге).

Вы найдете много печатных плат разной толщины; наиболее распространенная толщина продуктов SparkFun — 1,6 мм (0.063 «). В некоторых наших продуктах — платах LilyPad и Arudino Pro Micro — используется плата толщиной 0,8 мм.

Более дешевые печатные платы и перфорированные платы (показанные выше) будут изготавливаться из других материалов, таких как эпоксидные смолы или фенолы, которые не обладают долговечностью FR4, но намного дешевле. Вы поймете, что работаете с этим типом печатной платы, когда припаяете к ней — они имеют очень неприятный запах. Эти типы подложек также обычно встречаются в недорогой бытовой электронике. Фенолы имеют низкую температуру термического разложения, что приводит к их расслаиванию, дыму и обугливанию, когда паяльник слишком долго удерживается на плате.

Медь

Следующий слой представляет собой тонкую медную фольгу, которую ламинируют на плату с помощью тепла и клея. На обычных двусторонних печатных платах медь наносится на обе стороны подложки. В более дешевых электронных устройствах печатная плата может иметь медь только с одной стороны. Когда мы говорим о двухсторонней плате или двухслойной плате , мы имеем в виду количество медных слоев (2) в нашей лазанье. Это может быть всего лишь 1 слой или целых 16 или более слоев.

Печатная плата с открытой медью, без паяльной маски и шелкографии.

Толщина меди может варьироваться и указывается по весу в унциях на квадратный фут. Подавляющее большинство печатных плат содержат 1 унцию меди на квадратный фут, но некоторые печатные платы, которые работают с очень высокой мощностью, могут использовать 2 или 3 унции меди. Каждая унция на квадрат соответствует примерно 35 микрометрам или 1,4 тысячным дюйма толщины меди.

Паяльная маска

Слой поверх медной фольги называется слоем паяльной маски. Этот слой придает печатной плате зеленый (или, в SparkFun, красный) цвет.Он накладывается на медный слой, чтобы изолировать медные следы от случайного контакта с другим металлом, припоем или токопроводящими насадками. Этот слой помогает пользователю паять в правильных местах и ​​предотвращает возникновение перемычек.

В приведенном ниже примере зеленая паяльная маска применяется к большей части печатной платы, закрывая небольшие следы, но оставляя серебряные кольца и контактные площадки SMD открытыми, чтобы их можно было припаять.

Паяльная маска обычно зеленого цвета, но возможен почти любой цвет.Мы используем красный почти для всех плат SparkFun, белый для платы IOIO и фиолетовый для плат LilyPad.

Шелкография

Белый слой шелкографии наносится поверх слоя паяльной маски. Шелкография добавляет к печатной плате буквы, числа и символы, которые упрощают сборку, и индикаторы для лучшего понимания платы людьми. Мы часто используем шелкографические метки, чтобы указать, какова функция каждого контакта или светодиода.

Шелкография чаще всего белая, но можно использовать чернила любого цвета.Широко доступны черный, серый, красный и даже желтый цвета шелкографии; Однако редко можно увидеть более одного цвета на одной доске.

Терминология

Теперь, когда у вас есть представление о структуре печатной платы, давайте определим некоторые термины, которые вы можете услышать при работе с печатными платами:

• Кольцевое кольцо — кольцо из меди вокруг металлического сквозного отверстия в печатной плате.

Примеры кольцевых колец.

• DRC — проверка правил проектирования.Программная проверка вашего дизайна, чтобы убедиться, что он не содержит ошибок, таких как неправильное касание, слишком тонкие следы или слишком маленькие отверстия.
• Drill hit — места на конструкции, где следует просверлить отверстия или где они действительно просверливались на доске. Неточные удары сверла из-за затупившейся коронки — обычная производственная проблема.

Не очень точные, но функциональные попадания сверла.

• Палец — открытые металлические площадки по краю платы, используемые для соединения двух печатных плат.Распространенные примеры — по краям компьютерных плат расширения или памяти, а также старых видеоигр на картриджах.
• Мышиные укусы — альтернатива v-score для отделения досок от панелей. Несколько ударов сверла сгруппированы близко друг к другу, создавая слабое место, где доску можно легко сломать. См. Хороший пример на досках SparkFun Protosnap.

Укусы мыши на LilyPad ProtoSnap позволяют легко отделять печатную плату.

• Контактная площадка — часть оголенного металла на поверхности платы, к которой припаян компонент.

Контактные площадки PTH (сквозное отверстие) слева, контактные площадки SMD (устройство для поверхностного монтажа) справа.

• Панель — большая печатная плата, состоящая из множества меньших плат, которые перед использованием будут разобраны. У автоматизированного оборудования для работы с печатными платами часто возникают проблемы с меньшими платами, и, объединяя несколько плат одновременно, процесс можно значительно ускорить.
• Трафарет для пасты — тонкий металлический (или иногда пластиковый) трафарет, который накладывается на плату и позволяет наносить паяльную пасту на определенные участки во время сборки.

Abe быстро демонстрирует, как выровнять трафарет с пастой и нанести паяльную пасту.

• Самовывоз — машина или процесс, с помощью которого компоненты размещаются на печатной плате.

Боб показывает нам машину SparkFun MyData Pick and Place.Это довольно круто.

• Плоскость — сплошной медный блок на печатной плате, обозначенный границами, а не дорожкой. Также обычно называется «заливкой».

Различные части печатной платы, на которых нет следов, но вместо них нанесен грунт.

• Сквозное металлическое отверстие — отверстие на плате, имеющее кольцевое кольцо и покрытое металлической пластиной на всем протяжении доски. Может быть точкой соединения для компонента со сквозным отверстием, переходным отверстием для передачи сигнала или монтажным отверстием.

Резистор PTH, вставленный в печатную плату FabFM, готовый к пайке. Ножки резистора продеваются сквозь отверстия. К металлическим отверстиям могут быть прикреплены следы на передней и задней части печатной платы.

• Pogo pin — подпружиненный контакт, используемый для временного подключения в целях тестирования или программирования.

Популярная булавка с заостренным концом. Мы используем их в огромном количестве на наших испытательных стендах.

• Reflow — плавление припоя для создания стыков между контактными площадками и выводами компонентов.
• Silkscreen — буквы, цифры, символы и изображения на печатной плате. Обычно доступен только один цвет и разрешение обычно довольно низкое.

Шелкография, идентифицирующая этот светодиод как светодиод питания.

• Паз — любое отверстие в плате некруглой формы. Слоты могут быть покрыты, а могут и не быть. Слоты иногда увеличивают стоимость платы, потому что они требуют дополнительного времени на вырезку.

Сложных слотов, прорезанных в ProtoSnap — Pro Mini.Также показано множество укусов мышей. Примечание: углы пазов не могут быть полностью квадратными, потому что они срезаются круговой фрезой.

• Паяльная паста — маленькие шарики припоя, суспендированные в гелевой среде, которые с помощью трафарета для пасты наносятся на контактные площадки для поверхностного монтажа на печатной плате перед размещением компонентов. Во время оплавления припой в пасте плавится, создавая электрические и механические соединения между контактными площадками и компонентом.

Паяльная паста на печатной плате незадолго до установки компонентов. Обязательно ознакомьтесь с описанием * пасты трафарета выше. *

• Горшок для припоя — горшок, используемый для быстрой пайки плат со сквозными отверстиями. Обычно содержит небольшое количество расплавленного припоя, в который плата быстро погружается, оставляя паяные соединения на всех открытых площадках.
• Soldermask — слой защитного материала, нанесенный на металл для предотвращения коротких замыканий, коррозии и других проблем.Часто зеленый, хотя возможны и другие цвета (красный SparkFun, синий Arduino или черный Apple). Иногда упоминается как «сопротивляться».

Паяльная маска закрывает сигнальные дорожки, но оставляет контактные площадки для пайки.

• Паяльная перемычка — небольшая капля припоя, соединяющая два соседних контакта на компоненте на печатной плате. В зависимости от конструкции можно использовать перемычку из припоя для соединения двух контактных площадок или контактов. Это также может стать причиной нежелательных коротких замыканий.
• Поверхностный монтаж — метод конструкции, который позволяет просто устанавливать компоненты на плату, не требуя, чтобы провода проходили через отверстия в плате. Сегодня это преобладающий метод сборки, который позволяет быстро и легко устанавливать платы.
• Thermal — небольшой след, используемый для соединения контактной площадки с плоскостью. Если контактная площадка не подвергается термической разгрузке, становится трудно нагреть контактную площадку до достаточно высокой температуры для создания хорошего паяного соединения.Контактная площадка с неправильной термической разгрузкой будет казаться «липкой» при попытке припаять к ней, и на ее оплавление уйдет слишком много времени.

Слева, паяльная площадка с двумя небольшими дорожками (термиками), соединяющими контакт с заземляющей пластиной. Справа переходное отверстие без термиков, полностью соединяющее его с заземляющей пластиной.

• Воровство — штриховка, линии сетки или точки из меди, оставленные в областях платы, где нет плоскости или следов.Снижает сложность травления, поскольку для удаления ненужной меди требуется меньше времени в ванне.
• Trace — непрерывный путь меди на печатной плате.

-> Небольшая дорожка, соединяющая площадку Reset с другим местом на плате. Более крупная и толстая дорожка подключается к выводу питания 5V . <-

• V-образная метка — частичный разрез доски, позволяющий легко зафиксировать доску вдоль линии.
• Через — отверстие в плате, используемое для передачи сигнала от одного уровня к другому. Tented Переходные отверстия покрыты паяльной маской, чтобы защитить их от припаивания. Переходные отверстия, к которым должны быть прикреплены соединители и компоненты, часто открыты (открыты), чтобы их можно было легко припаять.

Лицевая и задняя части одной и той же печатной платы со сквозным соединением. Это переходное отверстие передает сигнал с лицевой стороны печатной платы через середину платы на заднюю сторону.

• Волновой припой — метод пайки, используемый на платах с компонентами со сквозными отверстиями, когда плата пропускается через стоячую волну расплавленного припоя, которая прилипает к открытым контактным площадкам и выводам компонентов.

Создайте свой собственный!

Как вы подходите к разработке своей собственной печатной платы? Все тонкости проектирования печатных плат слишком подробны, чтобы здесь углубляться, но если вы действительно хотите начать, вот несколько советов:

1. Найдите пакет САПР: на рынке существует множество недорогих или бесплатных вариантов для проектирования печатных плат.На что следует обратить внимание при выборе пакета:
   • Поддержка сообщества: много ли людей используют этот пакет? Чем больше людей будет им пользоваться, тем больше у вас шансов найти готовые библиотеки с нужными вам частями.
   • Простота использования: если пользоваться им больно, не откажитесь.
   • Возможности: некоторые программы накладывают ограничения на ваш дизайн — количество слоев, количество компонентов, размер платы и т. Д. Большинство из них позволяют вам платить за лицензию, чтобы обновить их возможности.
   • Переносимость: некоторые бесплатные программы не позволяют экспортировать или преобразовывать ваши проекты, ограничивая вас только одним поставщиком.Может быть, это справедливая цена за удобство и цену, а может, и нет.
2. Посмотрите на макеты других людей, чтобы увидеть, что они сделали. Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом делает это проще, чем когда-либо.
3. Практика, практика, практика.
4. Сохраняйте низкие ожидания. У вашего первого дизайна доски будет много проблем. У вашего 20-го дизайна доски будет меньше, но все равно будет. Вы никогда не избавитесь от них всех.
5. Схемы важны. Пытаться сначала спроектировать плату без хорошей схемы — бесполезное занятие.

Наконец, несколько слов о полезности разработки собственных печатных плат. Если вы планируете выпустить более одного или двух проектов в рамках одного проекта, окупаемость разработки платы будет довольно хорошей — схемы подключения точка-точка на прототипной плате доставляют хлопоты, и они, как правило, менее надежны, чем специально разработанные. доски. Это также позволяет вам продавать свой дизайн, если он окажется популярным.

Интегральные схемы — learn.sparkfun.com

Введение

Интегральные схемы (ИС) — краеугольный камень современной электроники.Они сердце и мозг большинства схем. Это вездесущие маленькие черные «микросхемы», которые можно найти практически на каждой печатной плате. Если вы не какой-то сумасшедший мастер аналоговой электроники, у вас, вероятно, будет хотя бы одна микросхема в каждом электронном проекте, который вы создаете, поэтому важно понимать их как внутри, так и снаружи.

Интегральные схемы — это маленькие черные «микросхемы», которые можно найти во встроенной электронике.

ИС — это набор электронных компонентов — резисторов, транзисторов, конденсаторов и т. Д.- все запихнуто в крошечный чип и соединено вместе для достижения общей цели. Они бывают самых разных видов: одноконтурные логические вентили, операционные усилители, таймеры 555, регуляторы напряжения, контроллеры двигателей, микроконтроллеры, микропроцессоры, FPGA … список можно продолжать и продолжать.

Рассмотрено в этом учебном пособии

• Состав IC
• Общие пакеты ИС
• Идентификация ИС
• Часто используемые ИС

Рекомендуемая литература

Интегральные схемы — одна из наиболее фундаментальных концепций электроники.Тем не менее, они основаны на некоторых предыдущих знаниях, поэтому, если вы не знакомы с этими темами, сначала подумайте о прочтении их руководств …

Что такое цепь?

Каждый электрический проект начинается со схемы. Не знаю, что такое схема? Мы здесь, чтобы помочь.

Резисторы

Учебник по резисторам. Что такое резистор, как они ведут себя параллельно / последовательно, расшифровка цветовых кодов резисторов и применения резисторов.

Диоды

Праймер диодный! Свойства диодов, типы диодов и их применение.

Полярность

Введение в полярность электронных компонентов. Узнайте, что такое полярность, в каких частях она есть и как ее идентифицировать.

Конденсаторы

Узнайте обо всем, что касается конденсаторов.Как они сделаны. Как они работают. Как они выглядят. Типы конденсаторов. Последовательные / параллельные конденсаторы. Конденсаторные приложения.

Транзисторы

Ускоренный курс по биполярным транзисторам. Узнайте, как работают транзисторы и в каких схемах мы их используем.

Внутри IC

Когда мы думаем об интегральных схемах, на ум приходят маленькие черные микросхемы. Но что внутри этого черного ящика?

Внутренности интегральной схемы, видимые после снятия верхней части.

Настоящее «мясо» ИС — это сложное наслоение полупроводниковых пластин, меди и других материалов, которые соединяются между собой, образуя транзисторы, резисторы или другие компоненты в цепи. Вырезанная и формованная комбинация этих пластин называется плашкой .

Обзор кристалла ИС.

Хотя сама ИС крошечная, пластины полупроводника и слои меди, из которых она состоит, невероятно тонкие. Связи между слоями очень сложные.Вот увеличенная часть кубика выше:

Кристалл ИС — это схема в ее наименьшей возможной форме, слишком мала для пайки или подключения. Чтобы упростить нам работу по подключению к ИС, мы упаковываем кристалл. Пакет IC превращает тонкий крошечный кристалл в черный чип, с которым мы все знакомы.

Пакеты ИС

Корпус — это то, что инкапсулирует кристалл интегральной схемы и превращает его в устройство, к которому мы можем более легко подключиться. Каждое внешнее соединение на кристалле через крошечный кусок золотого провода подключается к контактной площадке или контакту на корпусе.Контакты — это серебристые, выдавленные клеммы на ИС, которые затем подключаются к другим частям схемы. Они имеют для нас первостепенное значение, потому что именно они будут подключаться к остальным компонентам и проводам в цепи.

Существует множество различных типов корпусов, каждый из которых имеет уникальные размеры, типы монтажа и / или количество выводов.

Маркировка полярности и нумерация выводов

Все микросхемы поляризованы, и каждый вывод уникален как по расположению, так и по функциям.Это означает, что на упаковке должен быть какой-то способ передать, какой штифт какой. Большинство микросхем будут использовать либо отметку , либо точку , чтобы указать, какой вывод является первым выводом. (Иногда и то, и другое, иногда одно или другое.)

Когда вы знаете, где находится первый вывод, номера оставшихся выводов последовательно увеличиваются по мере того, как вы перемещаетесь против часовой стрелки по микросхеме.

Тип монтажа

Одной из основных отличительных характеристик типа корпуса является способ монтажа на печатной плате.Все корпуса подразделяются на два типа монтажа: монтаж в сквозное отверстие (PTH) или поверхностный монтаж (SMD или SMT). Пакеты со сквозным отверстием обычно больше, и с ними намного проще работать. Они предназначены для вставки через одну сторону платы и припаивания к другой стороне.

Корпуса для поверхностного монтажа различаются по размеру от маленьких до крохотных. Все они предназначены для размещения на одной стороне печатной платы и припаяны к поверхности. Штыри SMD-корпуса либо выступают со стороны, перпендикулярно чипу, либо иногда располагаются в виде матрицы на дне чипа.ИС в этом форм-факторе не очень удобны для ручной сборки. Обычно для этого требуются специальные инструменты.

DIP (двухрядные пакеты)

DIP, сокращение от двухрядного корпуса, является наиболее распространенным корпусом ИС со сквозным отверстием, с которым вы можете столкнуться. Эти маленькие микросхемы имеют два параллельных ряда контактов, перпендикулярно выступающих из прямоугольного черного пластикового корпуса.

28-контактный ATmega328 — один из наиболее популярных микроконтроллеров в корпусе DIP (спасибо, Arduino!).

Расстояние между контактами DIP IC составляет 0,1 дюйма (2,54 мм), что является стандартным расстоянием и идеально подходит для установки в макетные платы и другие макетные платы. Общие размеры DIP-корпуса зависят от количества контактов, которое может быть от четырех до 64.

Область между каждым рядом контактов идеально разнесена, чтобы позволить микросхемам DIP занимать центральную часть макета. Это обеспечивает каждому из выводов свой собственный ряд на плате и гарантирует, что они не замыкаются друг на друга.

Помимо использования в макетных платах, микросхемы DIP также могут быть впаяны в печатные платы . Они вставлены в одну сторону платы и припаяны к другой стороне. Иногда, вместо того, чтобы паять микросхему непосредственно на микросхему, рекомендуется вставить в гнездо микросхемы. Использование сокетов позволяет снимать и заменять DIP IC, если он «выпустит синий дым».

Обычное гнездо DIP (вверху) и гнездо ZIF с ИС и без нее.

Пакеты для поверхностного монтажа (SMD / SMT)

В наши дни существует огромное разнообразие типов корпусов для поверхностного монтажа.Чтобы работать с ИС в корпусе для поверхностного монтажа, вам обычно нужна специальная печатная плата (PCB), изготовленная для них, которая имеет соответствующий узор из меди, на которой они припаяны.

Вот несколько наиболее распространенных типов корпусов SMD, которые варьируются по способности пайки вручную от «выполнимо» до «выполнимо, но только со специальными инструментами» до «выполнимо только с очень специальными, обычно автоматизированными инструментами».

Small-Outline (СОП)

Малогабаритные корпуса IC (SOIC) являются двоюродным братом DIP для поверхностного монтажа.Это то, что вы получите, если согнете все штыри на DIP наружу и уменьшите его до нужного размера. С твердой рукой и внимательным взглядом эти корпуса являются одними из самых простых для ручной пайки SMD-деталей. В корпусах SOIC каждый штифт обычно расположен на расстоянии около 0,05 дюйма (1,27 мм) от следующего.

SSOP (shrink small-outline package) — это еще меньшая версия пакетов SOIC. Другие аналогичные пакеты IC включают TSOP (тонкий корпус с мелкими контурами) и TSSOP (корпус с тонкой усадкой и мелкими контурами).

16-канальный мультиплексор (CD74HC4067) в 24-выводном SSOP корпусе.Устанавливается на доске посередине (четверть добавлена ​​для сравнения размеров).

Многие из более простых, ориентированных на одну задачу ИС, таких как MAX232 или мультиплексоры, выпускаются в формах SOIC или SSOP.

Квадроциклы

Раздвигание выводов микросхемы во всех четырех направлениях дает вам нечто, что может выглядеть как плоский четырехрядный корпус (QFP). ИС QFP могут иметь от восьми контактов на каждую сторону (всего 32) до более семидесяти (всего 300+). Контакты на микросхеме QFP обычно имеют интервал от 0.От 4 мм до 1 мм. Меньшие варианты стандартного пакета QFP включают тонкий (TQFP), очень тонкий (VQFP) и низкопрофильный (LQFP) пакеты.

ATmega32U4 в 44-выводном (по 11 с каждой стороны) корпусе TQFP.

Если вы отшлифовали ножки микросхемы QFP, вы получите что-то, что может выглядеть как корпус с четырьмя плоскими выводами без выводов (QFN) . Соединения на корпусах QFN представляют собой крошечные открытые площадки на нижних угловых краях ИС. Иногда они оборачиваются вокруг и открываются как сбоку, так и снизу, в других упаковках открыта контактная площадка только на нижней части микросхемы.

Многофункциональный датчик IMU MPU-6050 поставляется в относительно крошечном корпусе QFN с 24 контактами, скрытыми на нижнем крае ИС.

Тонкие (TQFN), очень тонкие (VQFN) и микропроводные (MLF) корпуса представляют собой меньшие вариации стандартного корпуса QFN. Есть даже корпуса с двумя без выводами (DFN) и с тонкими двойными выводами (TDFN), которые имеют контакты только на двух сторонах.

Многие микропроцессоры, датчики и другие современные ИС поставляются в корпусах QFP или QFN. Популярный микроконтроллер ATmega328 предлагается как в корпусе TQFP, так и в форме QFN-типа (MLF), в то время как крошечный акселерометр / гироскоп, такой как MPU-6050, поставляется в миниатюрной форме QFN.

Массивы с шариковой сеткой

Наконец, для действительно продвинутых ИС есть корпуса с шариковой решеткой (BGA). Это удивительно замысловатые маленькие корпусы, в которых маленькие шарики припоя расположены в виде двумерной сетки в нижней части ИС. Иногда шарики припоя прикрепляются прямо к матрице!

Пакеты

BGA обычно предназначены для продвинутых микропроцессоров, таких как pcDuino или Raspberry Pi.

Если вы умеете паять ИМС в корпусе BGA вручную, считайте себя мастером пайки.Обычно для того, чтобы поместить эти пакеты на печатную плату, требуется автоматическая процедура, включающая машины для захвата и размещения и печи оплавления.

Общие ИС

Интегральные схемы широко распространены в электронике, что трудно охватить все. Вот несколько наиболее распространенных микросхем, которые могут встретиться в образовательной электронике.

Логические вентили, таймеры, регистры сдвига и т. Д.

Логические вентили, составляющие гораздо больше самих микросхем, могут быть объединены в их собственные интегральные схемы.Некоторые ИС логических вентилей могут содержать несколько вентилей в одном корпусе, например этот вентиль И с четырьмя входами:

Логические вентили

могут быть подключены внутри ИС для создания таймеров, счетчиков, защелок, регистров сдвига и других базовых логических схем. Большинство этих простых схем можно найти в пакетах DIP, а также в SOIC и SSOP.

Микроконтроллеры, микропроцессоры, ПЛИС и т. Д.

Микроконтроллеры, микропроцессоры и ПЛИС, содержащие тысячи, миллионы и даже миллиарды транзисторов в крошечной микросхеме, представляют собой интегральные схемы.Эти компоненты существуют в широком диапазоне функций, сложности и размеров; от 8-битного микроконтроллера, такого как ATmega328 в Arduino, до сложного 64-битного многоядерного микропроцессора, организующего деятельность на вашем компьютере.

Эти компоненты обычно являются самой большой ИС в цепи. Простые микроконтроллеры можно найти в корпусах от DIP до QFN / QFP, с количеством выводов от восьми до сотни. По мере того, как эти компоненты усложняются, пакет становится одинаково сложным.ПЛИС и сложные микропроцессоры могут иметь до тысячи контактов и доступны только в расширенных пакетах, таких как QFN, LGA или BGA.

Датчики

Современные цифровые датчики, такие как датчики температуры, акселерометры и гироскопы, упакованы в интегральную схему.

Эти ИС обычно меньше микроконтроллеров или других ИС на печатной плате, с числом контактов от трех до двадцати. Микросхемы датчиков DIP становятся редкостью, поскольку современные компоненты обычно встречаются в корпусах QFP, QFN и даже BGA.