Základní počítačové součástky a jejich technologie

Tento text představuje přehled vývoje elektronických součástek používaných v logických obvodech. Text předpokládá pouze znalosti středoškolské fyziky a proto popisuje základní principy těchto součástek pouze zjednodušeně a pokud k vysvětlení principu jsou potřeba hlubší znalosti, ponechává na čtenáři, aby si v případě zájmu našel přesné popisy principů těchto součástek v literatuře nebo na Internetu.

Nultá generace – relé

Relé je jednoduchá elektromechanická součástka (elektricky řízený spínač) skládající se z cívky, kotvy z feromagnetického materiálu a kontaktů. Princip funkce je jednoduchý. Pokud cívkou protéká proud, vzniklé magnetické pole přitáhne kotvu k cívce a tím sepne kontakt. Když proud přestane protékat, zanikne magnetické pole, kotvu vytáhne zpětná pružina a kontakt se rozepne.

Schematické zakreslení principu relé

Nevýhodou relé je jejich pomalost, vysoká energetická náročnost a vysoká poruchovost vlivem opotřebení mechanických částí. Výhodou je možnost spínat velké proudy a skutečnost, že ovládací část (cívka) a spínací část (kontakt) nejsou vodivě spojeny. Reléové obvody jsou charakteristické cvakáním, dokonce už byly pokusy o využití reléových obvodů jako hudebních nástrojů.

V současné době se relé používají v obvodech kde je potřeba spínat větší proudy s malou frekvencí sepnutí. Reléová logika se dodnes používá v drážních zabezpečovacích systémech a protože plní svoji funkci znamenitě, bude se zde používat i nadále.

Ukázka současných relé: pro montáž do plošných spojů a automobilové
Současná deska plošných spojů reléové logiky

První generace – elektronky

Hlavní motivací pro náhradu relé elektronkami byla snaha odstranit nespolehlivé mechanické součásti a zvýšit rychlost spínání.

Elektronka

Elektronka se skládá z katody, anody a případně několika mřížek. To vše je uzavřeno v baňce s vysoce vyčerpaným vzduchem. Katoda se vyrábí z kovů, které při teplotě kolem 800° C emitují elektrony (elektrony vystupují z kovu do vakua), nejčastěji z wolframu s thoriem. Anoda je kovová destička, která naopak elektrony přijímá. Mřížky jsou umístěny mezi katodou a anodou a slouží k regulaci toku elektronů. Při rozžhavení na provozní teplotu se z katody začínají uvolňovat elektrony. Pokud na anodu připojíme kladné napětí, elektrony jsou jí přitahovány a pohlcovány, tedy mezi anodou a katodou protéká proud. Pokud však na anodu připojíme záporné napětí, začne elektrony odpuzovat a proud neprotéká. Takto funguje dioda. Pokud mezi katodu a anodu vložíme mřížku, můžeme napětím připojeným k této mřížce regulovat tok elektronů mezi katodou a anodou. Získáme tak vlastně jednoduchý zesilovač nebo spínač.

Nevýhodou elektronek je jejich velikost, vysoká spotřeba energie a technologická náročnost výroby (potřeba vysokého vakua, přesné umístění součástí, výroba wolframových vláken).

Výhodou je možnost přenosu vysokých výkonů, velká odolnost proti přetížení a nízký šum elektronek.

Elektronkové obvody v činnosti krásně vypadají, takový obvod připomíná svítící město.

Pokud dnes chceme najít elektronky, měli bychom se podívat do televizní kamery nebo do televizních vysílačů a i obrazovka, na kterou se teď díváte (nemáte-li LCD nebo plazmový monitor), je speciální elektronka. Na koncertech hudebních skupin najdeme elektronky ve výkonových nízkošumových zesilovačích, kde jim konkurují pouze vysoce podchlazené polovodiče, k jejichž provozu je však potřeba kapalný dusík.

Ukázka různých elektronek

Druhá generace – tranzistory

Tranzistory umožnily výrobcům hlavně zmenšit rozměry a spotřebu energie a zároveň díky menší náročnosti výroby tranzistorů zvýšit spolehlivost. Existují dva základní principy funkce tranzistorů, bipolární a unipolární. V počítačích druhé generace se používaly bipolární tranzistory.

Ukázka germaniových tranzistorů

Bipolární tranzistor se skládá z emitoru, báze a kolektoru. Emitor a kolektor mají stejný typ vodivosti, báze má oproti nim opačný typ vodivosti. Princip funkce bipolárního tranzistoru je poměrně složitý. Stručně řečeno proud zavedený do báze pomáhá proudu, který teče cestou emitor-báze-kolektor, překonat uzavřený přechod báze-kolektor. Přesněji je princip funkce bipolárního tranzistoru popsán ve spoustě publikací, zabývajících se polovodiči, nebo na Internetu. Bipolární tranzistor je tedy vlastně zesilovač (spínač) řízený proudem přivedeným do báze.

Nevýhodou obvodů se samostatnými bipolárními tranzistory je především velká složitost desky plošného spoje, nízké pracovní frekvence vlivem dlouhých spojovacích drah mezi tranzistory, tedy „pomalost“ výsledného zařízení.

Výhodou je vysoká spolehlivost, nenáročná sériová výroba a nízká spotřeba elektrické energie.

Bipolární tranzistor je (a dlouho ještě bude) základní součástkou pro elektrotechniku. V současné době existuje velké množství typů bipolárních tranzistorů, vyrábějí se ve velkých sériích a jsou tedy velmi levné.

Funkci unipolárního tranzistoru zde nebudu popisovat, neboť bude obsažena v popisu obvodů dalších generací.

Třetí generace – integrované obvody

Integrované obvody jsou vlastně jednoduché elektrické obvody skládající se z několika (až milionů) polovodičových prvků, odporů, kondenzátorů a jiných speciálních prvků v jedné součástce. Malé rozměry integrovaného obvodu umožňují zvýšit jeho rychlost, využít některých speciálních jevů polovodičů a v neposlední řadě značně zjednodušit a zmenšit desky plošných spojů, které je využívají.

Ukázka integrovaných obvodů řady 74

Podle tranzistorů využitých v integrovaných obvodech se tyto obvody dělí do dvou základních skupin: bipolární a unipolární.

Bipolární integrované obvody

V bipolárních integrovaných obvodech se využívají bipolární tranzistory, jejichž princip je popsán v kapitole zabývající se druhou generací počítačů. Bipolární integrované obvody se dále dělí podle vnitřního zapojení součástek.

DCTL – Přímo vázaná tranzistorová logika

Na obrázku je typické zapojení logického obvodu (hradla) NOR (negace logického součtu)  vytvořeného technologií DCTL

Schéma NOR v DCTL

Pokud na bázi jednoho z tranzistorů přivedeme napětí (napěťová úroveň H, logická úroveň 1) tranzistor se otevře a přizemní výstup (napětí se zadrží na odporu RZ). Výstupní úroveň je tedy nízká napěťová úroveň (L, logická úroveň 0), pokud je na alespoň jeden tranzistor přivedena úroveň H (logická 1). Jinak jsou všechny tranzistory zavřené a na výstupu je úroveň H (logická 1).

Tato technologie se v praxi nikdy nerozšířila, protože vyžaduje použití tranzistorů se zcela shodnými parametry, čehož lze jen těžko dosáhnout, ale obdobná myšlenka byla použita u technologie IIL.

RTL – Odporově-tranzistorová logika

Jde vlastně o „vylepšení“ technologie DCTL tak, aby bylo možné používat tranzistory ne zcela shodných parametrů. Toho bylo dosaženo předřazením odporů před vstupy (báze tranzistorů). Nevýhodou tohoto zapojení je však nižší rychlost oproti DCTL. Pro zmírnění této nevýhody se někdy paralelně k předřazeným odporům připojovaly kondenzátory. Integrované obvody RTL se sériově vyráběly, ale postupně byly vytlačeny pokročilejšími technologiemi.

Schéma NOR v RTL

DTL – Diodově-tranzistorová logika

Obvody DTL se pro speciální účely vyrábějí dodnes. Na obrázku je ukázka hradla NAND (negace logického součtu) vytvořeného technologií DTL.

Scéma NAND v DTL

Pokud na některou ze vstupních diod přivedeme úroveň L (logická 0), báze tranzistoru bude přizemněna a tranzistor se uzavře. Na výstupu tedy bude úroveň H (logická 1). Pokud místo diody DS zapojíme do obvodu Zenerovu diodu, získáme obvod s velmi vysokou odolností proti rušení.

TTL – Tranzistor-tranzistorová logika

Tato technologie je velmi rozšířená, hradla TTL se dodnes vyrábějí v téměř legendární řadě SN 74xx (jedna z mála ucelených řad elektrotechnických součástek, kde všichni výrobci používají stejné číselné označení). V současné době se vyrábí ve velkých sériích, i když je pomalu vytlačována systémy STTL, MOS a CMOS, které mají stejnou nebo vyšší rychlost a nižší spotřebu. U TTL jsou vstupní diody DTL nahrazeny víceemitorovým tranzistorem a na výstup byl přidán koncový stupeň, tzv. totem. Hradla TTL jsou levnější než DTL a asi 2x rychlejší (doba zpoždění se pohybuje kolem 12 ns). Na obrázku je hradlo NAND (čtyři dvouvstupová hradla NAND v jednom pouzdře dostala označení SN 7400). Společně s touto technologií byly zavedeny standardní napěťové úrovně pro logickou 0 a 1 označované jako úrovně TTL.

Schéma NAND v TTL

Připojením úrovně L k některému z emitorů víceemitorového tranzistoru dojde k přizemnění a tedy uzavření tranzistoru T2. Tranzistor T3 je pak připojen k plnému napájecímu napětí, je otevřen, tranzistor T4 je přizemněn, tedy uzavřen. Na výstupu je úroveň H (logická 1). Jsou-li všechny emitory víceemitorového tranzistoru připojeny na úroveň H, je T2 otevřen, T3 uzavřen a T4 otevřen, na výstupu je úroveň L (logická 0). Tento stav se zdá na první pohled nelogický (T3 i T4 jsou připojeny na stejné napětí), ale vysvětlení je jednoduché. Dynamický odpor diody mezi T3 a T4 způsobí, že tranzistor T3 potřebuje vyšší napětí ke svému otevření než T4 a protože jsou oba tranzistory připojeny na přibližně třetině napájecího napětí, T4 se otevře a T3 uzavře. Kromě tohoto zapojení existují i modifikace umožňující paralelní spojení více hradel například zapojení hradla s otevřeným kolektorem.

MTL (IIL) – logika se sdruženým tranzistorem (integrovaná injekční logika)

Vznikla pro potřebu vyšší integrace logických členů na jednom čipu. Vychází částečně z DCTL a všechny pasivní prvky byly nahrazeny tranzistory. Pracuje s nižšími napěťovými úrovněmi než TTL, ale na čipu bývají přizpůsobovací obvody, protože úrovně TTL jsou dobře odolné proti rušení. Na čipu MTL už vlastně ani nejsou samostatné tranzistory spojené vodivými drahami, ale některé tranzistory mají sdružené některé části s jinými tranzistory, které jsou na ně napojeny. Díky tomu je možné dosáhnout hustoty až 400 hradel/mm2 tedy 1000 až 3000 hradel na jednom čipu.

STTL – Schottky TTL

Tato modifikace TTL zrychluje spínání tranzistoru použitím speciálních Schottkyho diod, pomocí kterých se upravuje proud tekoucí bází tranzistoru. Výroba takovýchto hradel je však technologicky náročnější než u TTL, hradla jsou tedy dražší.

ECL - emitorově vázaná logika

Asi nejzajímavější bipolární technologií je právě ECL. Obvody ECL jsou velmi rychlé, mají ale vyšší spotřebu a jsou dražší než obvody TTL. Už v době vzniku ECL (1962) byla nominální doba průchodu hradlem 8 ns, dnes dokonce pouze 1 ns. Pro dodržení této rychlosti musejí být desky plošných spojů speciálně navrženy. Největší rychlosti lze dosáhnout integrací na čip, kde jsou spoje mezi hradly velmi krátké. Pro představu, paměť vyrobená technologií ECL o velikosti 256 bitů má vybavovací dobu 25 ns. Obvody ECL jsou nejrychlejší logické obvody, proto se používají v procesorech výkonných počítačů. Pro představu uvádím zapojení hradla NOR v technologii ECL. K pochopení funkce tohoto zapojení jsou však potřeba hlubší znalosti elektroniky, proto zde ponechám zapojení bez popisu.

Schéma NOR v ECL

Na závěr přehledu bipolárních integrovaných obvodů uvádím několik obrázků desek třetí generace (technologie TTL) a nakonec pohled „do břicha švába“ (pro svůj vzhled dostaly tyto integrované obvody přezdívku šváb).

Unipolární integrované obvody

V unipolárních integrovaných obvodech se používají unipolární tranzistory. Tyto integrované obvody mají velmi nízkou spotřebu, vysoký stupeň integrace, avšak nižší rychlost, než bipolární integrované obvody.

Unipolární tranzistor (MOS FET) se skládá z elektrod source, drain a gate (hradlo). Mezi source a drain je vytvořen vodivý kanál (v polovodiči P nebo N), kterým protéká proud. Hradlo je kovová elektroda izolovaná od vodivého kanálu oxidem křemíku. Napětím přivedeným na hradlo se vodivý kanál zužuje nebo rozšiřuje a tím se tranzistor zavírá nebo otvírá. Na rozdíl od bipolárních tranzistorů jsou unipolární tranzistory řízeny pouze napětím, do hradla nevtéká žádný proud. Podle typu vodivosti polovodiče se dělí na NMOS a PMOS tranzistory.

MOS technologie

Podle typu tranzistorů se označuje NMOS (využívá NMOS tranzistory), PMOS (využívá PMOS tranzistory) a CMOS (využívá oba typy tranzistorů v tzv. komplementárním zapojení). Na obrázku je invertor v technologii CMOS.

Schéma invertoru v CMOS

Je zde dvojice vzájemně se doplňujících tranzistorů (komplementární dvojice). Horní tranzistor je PMOS, který je otevřený, když je na jeho hradlo přivedena úroveň L, úrovní H se uzavře. Dolní tranzistor je NMOS, otvírá se úrovní H, zavírá úrovní L. Přivedeme-li úroveň H (logická 1) na vstup tohoto hradla, horní tranzistor se uzavře, dolní se otevře a na výstupu tedy bude úroveň L (logická 0). Pokud přivedeme na vstup úroveň L, horní tranzistor se otevře, dolní se uzavře a na výstupu je úroveň H (logická 1). Důležité je, že do hradla nevtéká žádný proud a pokud je hradlo ve stabilním stavu, neprotéká žádný proud ani tranzistory hradla. V hradle protéká proud pouze v okamžiku, kdy se hradlo překlápí z L do H nebo naopak. V tom okamžiku se jeden tranzistor už otvírá, ale druhý se teprve zavírá. Proto se stoupající frekvencí stoupá spotřeba energie hradla.

CMOS je v dnešních počítačích nejpoužívanější technologií, protože logické obvody vyrobené technologií CMOS jsou malé, mají malou spotřebu a jsou levné.

Nové technologie

Protože vývoj logických součástek se těžko předpovídá, zaměřím se na součástky a technologie, které v současné době nastupují a jeví se jako perspektivní. U některých technologií jsou k dispozici pouze starší data, protože komerční společnosti nejnovější vývoj úzkostlivě tají. Postupným zmenšováním integrovaných součástek se začínají projevovat fyzikální jevy, které se u větších součástek neprojevovaly a které se mohou stát základem součástek s řádově lepšími vlastnostmi.

HEMT – tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů

Jde o unipolární tranzistor, u kterého se vlivem řídícího napětí nemění průřez vodivého kanálu, ale jeho vodivost. Tyto tranzistory mají vyšší mezní kmitočty (jsou rychlejší) a mají menší šum. Pro přehlednost uvádím tabulku parametrů běžně vyráběných integrovaných obvodů s tranzistory HEMT.

Typ IO Nahrazuje hradel Doba přístupu [ns] Příkon [W] Čip [mm]
Hradlové pole 4096 4,1 6,2 5,5 x 5,6
Hradlové pole 45600 0,05 9,8 x 9,8
Generátor náhodných čísel 3319 1,6 GHz 4,5 8,2 x 8,2
Hradlové pole 1000 5,0 0,97 3,8 x 4,2
8-bitový D/A převodník 919 1,2 Gbit/s 2,4 3,0 x 3,0
4x4-bitový násobič 141 1,6 0,06 1,1 x 1,2
8x8-bitový násobič 1350 3,2 1,9 2,7 x 3,9
16x16-bitový násobič 4500 4,0 7,8 x 8,5
A/D převodník 1500 140 megavzorků/s

Součástky s rezonančním tunelováním

Základem těchto součástek je struktura tvořená dvojí bariérou s kvantovou jámou. Charakteristiky těchto součástek je předurčují k využití při návrhu mikrovlnných obvodů, velmi rychlých logických obvodů, obvodů víceúrovňové logiky a vícestavových pamětí. Tyto součástky jsou velmi rychlé (spínají většinou v pikosekundové oblasti). Jedním z praktických využití je velmi rychlý generátor parity, protože jedna součástka sdružuje funkci několika hradel, dochází tak k velkému snížení počtu aktivních prvků obvodu. Další aplikací součástek s rezonančním tunelováním jsou A/D převodníky, které jsou mnohem rychlejší, a to dokonce tak, že není potřeba používat spolu s převodníkem vzorkovací obvody (obvody které „drží“ napětí, dokud není dokončen převod).

Součástky s Josephsonovým přechodem

Součástky s Josephsonovou tunelující strukturou supravodič-izolant-supravodič jsou založeny na principu rozrušení supravodivého stavu magnetickým polem. Supravodivý stav nastává při zchlazení některých kovů na teplotu blízkou absolutní nule. Při přechodu do tohoto stavu prudce poklesne elektrický odpor na hodnotu 0 ohmů. Ano skutečně některé speciální kovy, tzv. supravodiče, při hlubokém podchlazení ztrácejí zcela elektrický odpor. Výhodou součástek s Josephsonovým přechodem je vysoká spínací rychlost, extrémně nízká spotřeba energie (až o tři řády nižší než u polovodičových součástek) a možnost realizace jednoduchou jednomikronovou technologií.

Velkou nevýhodou však je pracovní teplota, která se pohybuje mezi –255 až –270 °C. V blízké budoucnosti se dá očekávat překonání této nevýhody postupným vývojem vysokoteplotních supravodičů (současné supravodiče jsou chlazeny kapalným heliem, vysokoteplotní supravodiče by měly být chlazeny pouze kapalným dusíkem).

V současné době se pokusně vyrábějí různé logické obvody. Pro zajímavost japonský čtyřbitový mikroprocesor z roku 1988, skládající se ze 64bitových pamětí RAM, osmifunkční ALU a řídících obvodů, realizovaný na čipu 4,4 x 4,4 mm pracoval na frekvenci až 770 MHz. Dále uvádím tabulku rychlostí vybraných integrovaných obvodů.

Integrovaný obvod Typ přechodu Počet hradel Doba provedení jedné operace [ns]
4-bitová sčítačka Pb – slitina 56 0,17
8-bitová sčítačka NbN – Ox NbN 364 0,70
8-bitová sčítačka Pb – slitina 300 0,30
4-bitová násobička NbN – Ox NbN 652 1,00
4-bitová násobička Pb – slitina 249 0,28
16-bitová násobička Nb – AlOx – Nb 828 1,10

V další tabulce jsou uvedeny parametry pamětí RAM, jsou sice už z počátku vývoje, ale i tak jsou úctyhodné.

Paměť Technologie [um] Typ přechodu Přístupová doba [ns] Rok výroby
1 kbit RAM 5 Pb – slitina 3,3 1983
1 kbit RAM 3,3 Nb – AlOx – Nb 0,6 1989
4 kbit RAM 2,5 Pb – slitina 0,8 1983

Součástky s feroelektriky

Kromě supravodičů nacházejí uplatnění v logických obvodech i feroelektrika. Jde vlastně o moderní obdobu feroelektrických pamětí. Nově vyvinuté feroelektrické materiály na bázi titanátů (BaTiO3 nebo PbZrTiO3) umožňují vytvořit feroelektrické kapacitory (anglické slovo capacitor se správně do češtiny překládá jako kondenzátor, slovo kapacitor zde používám pro odlišení součástek pracujících na feroelektrickém principu od klasických kondenzátorů) přímo na čipu paměti. Vhodným zapojením získáme permanentní paměť, která dokáže uchovávat zaznamenanou informaci po dobu několika minut až dní i po vypnutí napájení.

Schéma paměťové buňky s feroelektrickými kapacitory

Pokud je přítomno napájecí napětí, je hodnota příslušné logické proměnné v paměťové buňce (čtveřice tranzistorů uprostřed). Vodič STORE není aktivován, tranzistory T1 a T2 uzavřeny a paměťová buňka není nijak ovlivňována napětími na kapacitorech C1, C2. Při výpadku napájení počítače (pomocné obvody chvilku napájejí paměť z kondenzátorů) je aktivován vodič STORE napěťovým impulsem, který otevře T1 a T2. Data z paměti se přepíší do kapacitorů C1 a C2, ve kterých zůstávají trvale zapsána. Po obnovení napájení počítače se znovu zaktivuje vodič STORE a data se přepíší zpět do paměti. Po zpětném přepisu dat se záporným napěťovým impulsem aktivuje vodič PLATE, čímž se kapacitory připraví na další zápis dat.

Pro dosažení vyšší hustoty integrace jsou feroelektrické kapacitory naneseny přímo na jedné z elektrod tranzistoru MOS. První šestnáctikilobitová paměť tohoto typu se objevila na trhu již v roce 1992. Tyto paměti se dosud příliš nerozšířily, protože jsou založeny na pamětích SRAM (jsou složeny dokonce z více tranzistorů), mají tedy menší kapacitu než dnes používané paměti DRAM. Vyšší technologická náročnost výroby těchto pamětí navíc znamená, že jsou dražší. Ačkoliv se tyto paměti již zdají neperspektivní, mají velkou šanci rozšířit se s příchodem miniaturních počítačových zařízení, kde jsou důležitější fyzické rozměry a schopnost vyrovnat se s nestabilním napájením než vysoký výkon.

Použitá literatura