Як працюють мікросхеми?

Вікіпедія повідомляє, що мікросхема — це матеріальне втілення електричної схеми, яке виконує певну функцію. Це формулювання також підходить до чипів — маленьких пласких шматочків, на поверхні яких, власне, й відбувається весь процес.

Отже, мікросхема обробляє інформацію, виражену в одиничках та нулях. Вона працює на основі транзисторів — радіоелектронних напівпровідникових елементів, які керують вхідним струмом. В одній мікросхемі вміщується до мільярда транзисторів, що дарує людству великі обчислювальні потужності. На мікросхемах побудовано сучасні комп’ютери, смартфони й всю розумну електроніку.

Аби відчути всю магію мікропроцесорної техніки, подивіться відео нижче, у якому лінзи мікроскопа відкривають нам дивовижний світ чипів:

Як це диво працює?

Ми вже сказали, що мікросхеми є основою усіх гаджетів навколо нас, а отже, технологія досить масова. В їхній основі лежить спеціальний матеріал — монокристалічний кремній. На ньому інженери формують мікросхеми з електронних компонентів: резисторів, транзисторів і конденсаторів.

Аби уникнути халеп, мікросхемі потрібен діелектрик для ізоляції транзисторів один від одного і металеві провідники для з’єднання. Простіше кажучи, транзистор перетворює вхідний струм і передає інформацію у вигляді 0101010 000111 10010101 тощо.

Кристали для мікросхем вирощують у спеціальний спосіб: до сплаву кремнію кладуть невеликий шматочок самого кремнію, і повільно його обертають, доки не почне застигати. З цього виходить циліндр монокристалічного кремнію, який нарізають на кілька пластин. До кремнію додають атоми різних елементів, формуючи ключовий елемент транзистора – p-n-перехід. Плівка з оксиду кремнію ізолює транзистори, а металеві розв’язки з’єднують їх між собою.

Ми вже сказали, що мікросхеми виконують обчислювальні функції. Вони обробляють нулики та одинички, трансформуючи їх в електричні сигнали, і навпаки. З мікросхем створено різні пристрої — від датчиків руху до засобів машинного зору і розумних пилотягів.

А що таке закон Мура?

Засновник корпорації Intel Гордон Мур обчислив, що кількість транзисторів на монокристалі подвоюється що два роки. Це відбувається завдяки зменшенню самих транзисторів, однак у цього процесу є межа, яку рано чи пізно доведеться перетнути. Проблема: ми не знаємо, як це зробити.

Виробництво центральних процесорів, що всередині наших пристроїв, має обмеження. Річ у тім, що загальна обчислювальна потужність зростає, якщо розподіляти завдання між ядрами процесора. Логічне рішення — створення багатоядерних процесорів — дозволило зробити ривок у мікроелектроніці 10 років тому, коли Intel представила двоядерний процесор Core Duo. Усі ми пам’ятаємо той момент, коли GTA San Andreas перестала лагати.

Загрозу вбачають у тому, що на тлі стрімкого зростання технологій мікросхем попередні технології будуть занадто швидко і «штучно-примусово» застарівати. Через токсичні матеріали, які використовують у виробництві сучасних комп’ютерів, надмірний моральний знос без розумного регулювання має шкідливий вплив на довкілля і може призвести до біди.

Світова мікроелектроніка, дотримуючись закону Мура, дотепер завжди спростовувала побоювання інженерів, що ми ось-ось впремося в нездоланні фізичні обмеження, після яких галузь або застрягне назавжди, або муситиме перейти на принципово нові матеріали та технології.

Утім, на те виглядає, що реальним гальмом буде ефект глобального насичення: ніхто не мінятиме потужності частіше, аніж шини на авто. Виробникам доведеться шукати нові шляхи просування інновацій на ринок.