يعد إنتاج الدوائر الدقيقة أمرًا صعبًا للغاية، وإغلاق هذا السوق تمليه في المقام الأول ميزات تقنية الطباعة الضوئية المهيمنة اليوم. يتم إسقاط الدوائر الإلكترونية المجهرية على رقاقة السيليكون من خلال الأقنعة الضوئية، والتي يمكن أن تصل تكلفة كل منها إلى 200 ألف دولار، وفي الوقت نفسه، يلزم ما لا يقل عن 50 قناعًا من هذا النوع لصنع شريحة واحدة. أضف إلى ذلك تكلفة "التجربة والخطأ" عند تطوير نماذج جديدة، وسوف تفهم أن الشركات الكبيرة جدًا هي وحدها القادرة على إنتاج المعالجات بكميات كبيرة جدًا.

ما الذي يجب أن تفعله المختبرات العلمية والشركات الناشئة ذات التقنية العالية التي تحتاج إلى تصميمات غير قياسية؟ فماذا ينبغي لنا أن نفعل بالنسبة للمؤسسة العسكرية، التي تعتبر شراء المعالجات من "عدو محتمل" أمراً غير لائق، بعبارة ملطفة؟

قمنا بزيارة موقع الإنتاج الروسي لشركة Mapper الهولندية، والذي بفضله يمكن أن يتوقف إنتاج الدوائر الدقيقة عن كونه نصيبًا من الكواكب السماوية ويتحول إلى نشاط مجرد بشر. حسنا، أو بسيطة تقريبا. هنا، على أراضي تكنوبوليس موسكو، وبدعم مالي من شركة Rusnano، يتم إنتاج مكون رئيسي لتقنية Mapper - النظام الإلكتروني البصري.

ومع ذلك، قبل فهم الفروق الدقيقة في الطباعة الحجرية بدون قناع من Mapper، يجدر بنا أن نتذكر أساسيات الطباعة الحجرية الضوئية التقليدية.

ضوء أخرق

يمكن أن يحتوي معالج Intel Core i7 الحديث على حوالي 2 مليار ترانزستور (حسب الطراز)، يبلغ حجم كل منها 14 نانومتر. سعياً وراء قوة الحوسبة، يقوم المصنعون سنوياً بتقليل حجم الترانزستورات وزيادة عددها. يمكن اعتبار الحد التكنولوجي المحتمل في هذا السباق 5 نانومتر: في مثل هذه المسافات تبدأ التأثيرات الكمومية في الظهور، والتي بسببها يمكن للإلكترونات الموجودة في الخلايا المجاورة أن تتصرف بشكل غير متوقع.

ولترسيب هياكل أشباه الموصلات المجهرية على رقاقة السيليكون، يستخدمون عملية مشابهة لاستخدام المكبر الفوتوغرافي. إلا إذا كان هدفه هو العكس، وهو جعل الصورة صغيرة قدر الإمكان. اللوحة (أو الفيلم الواقي) مغطاة بمادة مقاومة للضوء - وهي مادة بوليمر حساسة للضوء تغير خصائصها عند تشعيعها بالضوء. يتم تعريض نمط الرقاقة المطلوبة لمقاوم الضوء من خلال قناع وعدسة تجميع. عادة ما تكون الرقائق المطبوعة أصغر بأربع مرات من الأقنعة.

تحتوي المواد مثل السيليكون أو الجرمانيوم على أربعة إلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي. إنها تشكل بلورات جميلة تشبه المعدن. ولكنها، على عكس المعدن، لا توصل الكهرباء: فجميع إلكتروناتها مرتبطة بروابط تساهمية قوية ولا يمكنها التحرك. لكن كل شيء يتغير إذا أضفت إليها القليل من النجاسة المانحة من مادة ذات خمسة إلكترونات في المستوى الخارجي (الفوسفور أو الزرنيخ). ترتبط أربعة إلكترونات بالسيليكون، ويترك إلكترونًا واحدًا حرًا. يعتبر السيليكون ذو الشوائب المانحة (النوع n) موصلًا جيدًا. إذا قمت بإضافة شوائب متقبلة من مادة تحتوي على ثلاثة إلكترونات على المستوى الخارجي (البورون، الإنديوم) إلى السيليكون، فإن "الثقوب" تتشكل بطريقة مماثلة، وهي نظير افتراضي لشحنة موجبة. في هذه الحالة، نحن نتحدث عن أشباه الموصلات من النوع p. من خلال توصيل الموصلات من النوع p و n، نحصل على الصمام الثنائي - وهو جهاز شبه موصل يمرر التيار في اتجاه واحد فقط. تمنحنا تركيبة p-n-p أو n-p-n ترانزستورًا - يتدفق التيار من خلاله فقط في حالة تطبيق جهد معين على الموصل المركزي.

يقوم حيود الضوء بإجراء تعديلاته الخاصة على هذه العملية: ينكسر الشعاع الذي يمر عبر فتحات القناع قليلاً، وبدلاً من نقطة واحدة، تنكشف سلسلة من الدوائر متحدة المركز، كما لو كان من حجر تم إلقاؤه في حوض سباحة. . ولحسن الحظ فإن الحيود يرتبط عكسيا بالطول الموجي، وهو ما يستفيد منه المهندسون باستخدام الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي 195 نانومتر. لماذا لا أقل؟ كل ما في الأمر أن الموجة الأقصر لن تنكسر بواسطة العدسة المجمعة، وسوف تمر الأشعة دون التركيز. من المستحيل أيضًا زيادة قدرة العدسة على التجميع - فالانحراف الكروي لن يسمح بذلك: فكل شعاع سوف يمر عبر المحور البصري عند نقطته الخاصة، مما يؤدي إلى تعطيل التركيز.

الحد الأقصى لعرض الكفاف الذي يمكن تصويره باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية هو 70 نانومتر. تتم طباعة الرقائق ذات الدقة العالية في عدة خطوات: يتم تطبيق حدود 70 نانومتر، ويتم حفر الدائرة، ثم يتم كشف الجزء التالي من خلال قناع جديد.

يجري حاليًا تطوير تقنية الطباعة الحجرية الضوئية العميقة فوق البنفسجية، باستخدام ضوء بطول موجي أقصى يبلغ حوالي 13.5 نانومتر. تتضمن هذه التقنية استخدام مرايا مفرغة ومتعددة الطبقات مع انعكاس يعتمد على التداخل بين الطبقات. لن يكون القناع أيضًا عنصرًا شفافًا، بل عنصرًا عاكسًا. المرايا خالية من ظاهرة الانكسار، لذا يمكنها العمل مع الضوء مهما كان طوله الموجي. لكن في الوقت الحالي هذا مجرد مفهوم يمكن استخدامه في المستقبل.

كيف تصنع المعالجات اليوم

رقاقة سيليكون مستديرة مصقولة تمامًا يبلغ قطرها 30 سم ومغطاة بطبقة رقيقة من مقاوم الضوء. تساعد قوة الطرد المركزي على توزيع مقاوم الضوء بالتساوي.

تتعرض الدائرة المستقبلية لمقاوم الضوء من خلال قناع. تتكرر هذه العملية عدة مرات لأنه يتم إنتاج العديد من الرقائق من رقاقة واحدة.

يصبح جزء مقاوم الضوء الذي تعرض للأشعة فوق البنفسجية قابلاً للذوبان ويمكن إزالته بسهولة باستخدام المواد الكيميائية.

مناطق رقاقة السيليكون غير المحمية بمقاوم الضوء تكون محفورة كيميائيًا. في مكانها، تتشكل المنخفضات.

يتم تطبيق طبقة من مقاوم الضوء مرة أخرى على الرقاقة. هذه المرة، يكشف التعريض تلك المناطق التي ستتعرض للقصف الأيوني.

وتحت تأثير المجال الكهربائي، تتسارع أيونات الشوائب إلى سرعات تزيد عن 300 ألف كيلومتر في الساعة وتخترق السيليكون، مما يمنحه خصائص شبه الموصل.

بعد إزالة مقاوم الضوء المتبقي، تبقى الترانزستورات النهائية على الرقاقة. يتم تطبيق طبقة عازلة في الأعلى، حيث يتم حفر فتحات التلامس باستخدام نفس التقنية.

يتم وضع اللوحة في محلول كبريتات النحاس ويتم تطبيق طبقة موصلة عليها باستخدام التحليل الكهربائي. ثم تتم إزالة الطبقة بأكملها عن طريق الطحن، ولكن تبقى جهات الاتصال في الثقوب.

يتم توصيل جهات الاتصال بواسطة شبكة متعددة الطوابق من "الأسلاك" المعدنية. يمكن أن يصل عدد "الطوابق" إلى 20، ويسمى مخطط الأسلاك الشامل ببنية المعالج.

الآن فقط يتم تقطيع اللوحة إلى العديد من الرقائق الفردية. يتم اختبار كل "بلورة" ثم يتم تثبيتها على لوحة بها جهات اتصال ومغطاة بغطاء مشعاع فضي.

13.000 تلفزيون

بديل للطباعة الحجرية الضوئية هو الطباعة الحجرية الكهربائية، عندما لا يتم التعرض للضوء، ولكن عن طريق الإلكترونات، وليس عن طريق مقاومة الضوء، ولكن عن طريق المقاومة الكهربائية. يتم تركيز شعاع الإلكترون بسهولة إلى نقطة ذات حجم صغير يصل إلى 1 نانومتر. تشبه هذه التقنية أنبوب أشعة الكاثود الموجود على التلفاز: حيث يتم انحراف تيار مركّز من الإلكترونات بواسطة ملفات التحكم، مما يؤدي إلى رسم صورة على رقاقة السيليكون.

وحتى وقت قريب لم تكن هذه التقنية قادرة على منافسة الطريقة التقليدية بسبب سرعتها المنخفضة. لكي تتفاعل المقاومة الكهربائية مع الإشعاع، يجب أن تقبل عددًا معينًا من الإلكترونات لكل وحدة مساحة، بحيث يمكن لشعاع واحد أن يعرض في أفضل الأحوال 1 سم 2 / ساعة. وهذا مقبول للطلبات الفردية من المختبرات، ولكنه لا ينطبق على الصناعة.

لسوء الحظ، من المستحيل حل المشكلة عن طريق زيادة طاقة الشعاع: فالشحنات المتشابهة تتنافر، لذا مع زيادة التيار، يصبح شعاع الإلكترون أوسع. ولكن يمكنك زيادة عدد الأشعة عن طريق تعريض عدة مناطق في نفس الوقت. وإذا كان عددها 13000، كما هو الحال في تقنية Mapper، فمن الممكن، وفقا للحسابات، طباعة عشر شرائح كاملة في الساعة.

وبطبيعة الحال، سيكون من المستحيل الجمع بين 13000 أنبوب أشعة كاثود في جهاز واحد. في حالة Mapper، يتم توجيه الإشعاع من المصدر إلى عدسة ميزاء، والتي تشكل شعاعًا متوازيًا واسعًا من الإلكترونات. تقف في طريقها مصفوفة فتحة، والتي تحولها إلى 13000 شعاع فردي. تمر الحزم عبر المصفوفة الفارغة - وهي رقاقة سيليكون بها 13000 ثقب. يوجد قطب انحراف بالقرب من كل منهم. وإذا تم تطبيق تيار عليه، فإن الإلكترونات "تخطئ" ثقبها ويتم إيقاف تشغيل أحد الحزم البالغ عددها 13000.

بعد تمرير الفراغات، يتم توجيه الأشعة إلى مصفوفة من المنحرفات، كل منها يمكن أن يحرف شعاعها بضعة ميكرونات إلى اليمين أو اليسار بالنسبة لحركة اللوحة (وبالتالي فإن مخطط الخرائط لا يزال يشبه 13000 أنبوب صور). وأخيرًا، يتم تركيز كل شعاع بشكل أكبر بواسطة عدسات ميكرولية خاصة به ثم يتم توجيهه إلى مقاوم كهربائي. حتى الآن، تم اختبار تقنية Mapper في معهد أبحاث الإلكترونيات الدقيقة الفرنسي CEA-Leti وفي TSMC، التي تنتج المعالجات الدقيقة للاعبين الرائدين في السوق (بما في ذلك Apple iPhone 6S). ويتم تصنيع المكونات الرئيسية للنظام، بما في ذلك العدسات الإلكترونية المصنوعة من السيليكون، في مصنع موسكو.

وتَعِد تكنولوجيا Mapper بآفاق جديدة ليس فقط لمختبرات الأبحاث والإنتاج على نطاق صغير (بما في ذلك الإنتاج العسكري)، بل وأيضاً للاعبين الكبار. حاليًا، لاختبار النماذج الأولية للمعالجات الجديدة، من الضروري عمل نفس أقنعة الصور تمامًا مثل الإنتاج الضخم. إن القدرة على إنشاء نماذج أولية للدوائر بسرعة نسبية لا تعد فقط بتخفيض تكاليف التطوير، بل أيضًا بتسريع التقدم في هذا المجال. وهو ما يفيد في النهاية المستهلك الشامل للإلكترونيات، أي نحن جميعًا.

من المؤكد أن جذور أسلوب حياتنا الرقمي تأتي من أشباه الموصلات، التي مكنت من إنشاء رقائق حوسبة معقدة تعتمد على الترانزستور. يقومون بتخزين ومعالجة البيانات، والتي هي أساس المعالجات الدقيقة الحديثة. تعد أشباه الموصلات، المصنوعة من الرمل اليوم، مكونًا رئيسيًا في كل الأجهزة الإلكترونية تقريبًا، بدءًا من أجهزة الكمبيوتر إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى الهواتف المحمولة. حتى السيارات الآن لا تستطيع الاستغناء عن أشباه الموصلات والإلكترونيات، حيث تتحكم أشباه الموصلات في نظام تكييف الهواء، وعملية حقن الوقود، والإشعال، وفتحة السقف، والمرايا، وحتى نظام التوجيه (BMW Active Steering). اليوم، تقريبا أي جهاز يستهلك الطاقة مبني على أشباه الموصلات.

تعد المعالجات الدقيقة بلا شك من بين منتجات أشباه الموصلات الأكثر تعقيدًا، حيث سيصل عدد الترانزستورات قريبًا إلى مليار ونطاق الوظائف مذهل بالفعل اليوم. سيتم قريبًا إصدار معالجات Core 2 ثنائية النواة وفقًا لتقنية المعالجة 45 نانومتر التي انتهت تقريبًا من Intel، وستحتوي بالفعل على 410 مليون ترانزستور (على الرغم من أن معظمها سيتم استخدامها لذاكرة التخزين المؤقت L2 بسعة 6 ميجابايت). تم تسمية عملية 45 نانومتر على اسم حجم الترانزستور الواحد، والذي أصبح الآن أصغر بحوالي 1000 مرة من قطر شعرة الإنسان. إلى حد ما، هذا هو السبب في أن الإلكترونيات تبدأ في التحكم في كل شيء في حياتنا: حتى عندما كانت أحجام الترانزستورات أكبر، كان إنتاج دوائر دقيقة غير معقدة للغاية رخيصًا جدًا، وكانت ميزانية الترانزستورات كبيرة جدًا.

في مقالتنا سنلقي نظرة على أساسيات تصنيع المعالجات الدقيقة، لكننا سنتطرق أيضًا إلى تاريخ المعالجات وبنيتها وننظر إلى المنتجات المختلفة الموجودة في السوق. يمكنك العثور على الكثير من المعلومات المثيرة للاهتمام على الإنترنت، وبعضها مذكور أدناه.

• ويكيبيديا: المعالجات الدقيقة. تتناول هذه المقالة أنواعًا مختلفة من المعالجات وتوفر روابط للشركات المصنعة وصفحات Wiki إضافية مخصصة للمعالجات.
• ويكيبيديا: المعالجات الدقيقة (الفئة). يوفر القسم الخاص بالمعالجات الدقيقة المزيد من الروابط والمعلومات.

منافسو أجهزة الكمبيوتر: AMD و Intel

يقع المقر الرئيسي لشركة Advanced Micro Devices Inc.، التي تأسست عام 1969، في سانيفيل، كاليفورنيا، ويقع "قلب" شركة Intel، التي تأسست قبل عام واحد فقط، على بعد بضعة كيلومترات في مدينة سانتا كلارا. تمتلك AMD اليوم مصنعين: في أوستن (تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية) وفي دريسدن (ألمانيا). ومن المقرر أن يدخل المصنع الجديد حيز التشغيل قريبا. بالإضافة إلى ذلك، تعاونت AMD مع IBM في تطوير وتصنيع تكنولوجيا المعالجات. وبطبيعة الحال، يعد هذا كله جزءًا صغيرًا من حجم شركة Intel، حيث تدير الشركة الرائدة في السوق الآن ما يقرب من 20 مصنعًا في تسعة مواقع. ويستخدم حوالي نصفها لإنتاج المعالجات الدقيقة. لذا، عندما تقارن بين AMD وIntel، تذكر أنك تقارن بين David وGoliath.

تتمتع Intel بميزة لا يمكن إنكارها في شكل قدرة إنتاجية ضخمة. نعم الشركة اليوم هي الرائدة في تنفيذ العمليات التكنولوجية المتقدمة. تتقدم Intel بحوالي عام على AMD في هذا الصدد. ونتيجة لذلك، يمكن لشركة إنتل استخدام المزيد من الترانزستورات والمزيد من ذاكرة التخزين المؤقت في معالجاتها. يتعين على AMD، على عكس Intel، تحسين عمليتها الفنية بأكبر قدر ممكن من الكفاءة من أجل مواكبة منافسيها وإنتاج معالجات لائقة. وبطبيعة الحال، فإن تصميم المعالجات وهندستها المعمارية مختلفان تمامًا، لكن عملية التصنيع الفنية مبنية على نفس المبادئ الأساسية. على الرغم من وجود اختلافات كثيرة فيه بالطبع.

تصنيع المعالجات الدقيقة

يتكون إنتاج المعالجات الدقيقة من مرحلتين مهمتين. الأول هو إنتاج الركيزة، التي تنفذها AMD وIntel في مصانعهما. وهذا يشمل نقل خصائص موصلة إلى الركيزة. المرحلة الثانية هي اختبار الركيزة وتجميع وتغليف المعالج. وعادة ما يتم إجراء العملية الأخيرة في بلدان أقل تكلفة. إذا نظرت إلى معالجات Intel، فستجد نقشًا يفيد بأن التغليف تم تنفيذه في كوستاريكا وماليزيا والفلبين وما إلى ذلك.

تحاول AMD و Intel اليوم إطلاق منتجات لأقصى عدد من قطاعات السوق، وعلاوة على ذلك، على أساس الحد الأدنى من مجموعة البلورات الممكنة. ومن الأمثلة الرائعة على ذلك خط معالجات Intel Core 2 Duo. هناك ثلاثة معالجات بأسماء رمزية لأسواق مختلفة: Merom لتطبيقات الهاتف المحمول، وConroe لإصدار سطح المكتب، وWoodcrest لإصدار الخادم. تم بناء المعالجات الثلاثة على نفس الأساس التكنولوجي، مما يسمح للشركة المصنعة باتخاذ القرارات في المراحل النهائية من الإنتاج. يمكنك تمكين الميزات أو تعطيلها، ويمنح المستوى الحالي لسرعات الساعة شركة Intel نسبة ممتازة من البلورات القابلة للاستخدام. إذا كان هناك طلب متزايد في السوق على المعالجات المحمولة، فقد تركز إنتل على إطلاق نماذج المقبس 479. إذا زاد الطلب على طرز سطح المكتب، ستقوم الشركة باختبار المقبس 775 والتحقق من صحته وتعبئته، في حين يتم حزم معالجات الخادم للمقبس 771. يتم إنشاء معالجات رباعية النواة: يتم تثبيت شريحتين ثنائي النواة في حزمة واحدة، لذلك نحصل على أربعة مراكز.

كيف يتم إنشاء الرقائق

يتضمن إنتاج الرقائق ترسيب طبقات رقيقة ذات "أنماط" معقدة على ركائز السيليكون. أولاً، يتم إنشاء طبقة عازلة تعمل كبوابة كهربائية. يتم بعد ذلك وضع مادة مقاومة للضوء على الجزء العلوي، وتتم إزالة المناطق غير المرغوب فيها باستخدام الأقنعة والإشعاع عالي الكثافة. عندما تتم إزالة المناطق المشععة، سيتم كشف مناطق ثاني أكسيد السيليكون الموجودة تحتها، والتي تتم إزالتها عن طريق النقش. بعد ذلك، تتم أيضًا إزالة المادة المقاومة للضوء، ونحصل على بنية معينة على سطح السيليكون. ويتم بعد ذلك إجراء عمليات ليثوغرافية ضوئية إضافية، بمواد مختلفة، حتى يتم الحصول على الهيكل ثلاثي الأبعاد المطلوب. يمكن تطعيم كل طبقة بمادة أو أيونات معينة، مما يؤدي إلى تغيير الخواص الكهربائية. يتم إنشاء النوافذ في كل طبقة بحيث يمكن إجراء التوصيلات المعدنية.

أما بالنسبة لإنتاج الركائز، فيجب تقطيعها من أسطوانة أحادية البلورة إلى "فطائر" رفيعة بحيث يمكن بعد ذلك تقطيعها بسهولة إلى شرائح معالج فردية. في كل خطوة من خطوات الإنتاج، يتم إجراء اختبارات معقدة لتقييم الجودة. تُستخدم المجسات الكهربائية لاختبار كل شريحة على الركيزة. أخيرًا، يتم تقطيع الركيزة إلى نوى فردية، ويتم التخلص على الفور من النوى غير العاملة. اعتمادا على الخصائص، يصبح النواة معالجا أو آخر ويتم تعبئته في حزمة تسهل تثبيت المعالج على اللوحة الأم. تخضع جميع الوحدات الوظيفية لاختبارات ضغط مكثفة.

كل شيء يبدأ بالركائز

تتم الخطوة الأولى في تصنيع المعالجات في غرفة نظيفة. بالمناسبة، من المهم أن نلاحظ أن مثل هذا الإنتاج عالي التقنية يمثل تراكمًا لرأس المال الضخم لكل متر مربع. إن بناء مصنع حديث بجميع المعدات يتكلف بسهولة 2-3 مليار دولار، ويتطلب التشغيل التجريبي للتقنيات الجديدة عدة أشهر. عندها فقط يمكن للمصنع إنتاج المعالجات بكميات كبيرة.

بشكل عام، تتكون عملية تصنيع الرقائق من عدة خطوات لمعالجة الرقاقة. يتضمن ذلك إنشاء الركائز نفسها، والتي سيتم تقطيعها في النهاية إلى بلورات فردية.

يبدأ كل شيء بزراعة بلورة واحدة، حيث يتم دمج بلورة البذرة في حمام من السيليكون المنصهر، والذي يقع فوق نقطة انصهار السيليكون متعدد البلورات مباشرةً. ومن المهم أن تنمو البلورات ببطء (حوالي يوم واحد) للتأكد من ترتيب الذرات بشكل صحيح. يتكون السيليكون متعدد البلورات أو السيليكون غير المتبلور من العديد من البلورات المختلفة، مما يؤدي إلى ظهور هياكل سطحية غير مرغوب فيها ذات خصائص كهربائية سيئة. بمجرد صهر السيليكون، يمكن تطعيمه بمواد أخرى تغير خصائصه الكهربائية. تتم العملية برمتها في غرفة مغلقة بتركيبة هواء خاصة حتى لا يتأكسد السيليكون.

يتم قطع البلورة المفردة إلى "فطائر" باستخدام منشار ثقب الماس، وهو دقيق للغاية ولا يخلق مخالفات كبيرة على سطح الركيزة. وبطبيعة الحال، فإن سطح الركائز لا يزال غير مسطح تماما، لذلك هناك حاجة إلى عمليات إضافية.

أولاً، باستخدام ألواح فولاذية دوارة ومادة كاشطة (مثل أكسيد الألومنيوم)، تتم إزالة طبقة سميكة من الركائز (عملية تسمى اللف). ونتيجة لذلك، يتم التخلص من المخالفات التي تتراوح في الحجم من 0.05 ملم إلى حوالي 0.002 ملم (2000 نانومتر). ثم يجب عليك تقريب حواف كل طبقة دعم، لأن الحواف الحادة يمكن أن تتسبب في تقشر الطبقات. بعد ذلك، يتم استخدام عملية الحفر، عند استخدام مواد كيميائية مختلفة (حمض الهيدروفلوريك، حمض الأسيتيك، حمض النيتريك) يتم تنعيم السطح بحوالي 50 ميكرون. لا يتحلل السطح ماديًا نظرًا لأن العملية برمتها كيميائية بالكامل. فهو يسمح لك بإزالة الأخطاء المتبقية في البنية البلورية، مما يؤدي إلى سطح قريب من المثالي.

الخطوة الأخيرة هي التلميع، الذي يعمل على تنعيم السطح إلى أقصى خشونة تصل إلى 3 نانومتر. يتم التلميع باستخدام خليط من هيدروكسيد الصوديوم والسيليكا الحبيبية.

اليوم، يبلغ قطر رقائق المعالجات الدقيقة 200 مم أو 300 مم، مما يسمح لصانعي الرقائق بإنتاج معالجات متعددة من كل واحدة. وستكون الخطوة التالية هي ركائز 450 ملم، ولكن لا ينبغي لنا أن نتوقع ذلك قبل عام 2013. بشكل عام، كلما زاد قطر الركيزة، كلما أمكن إنتاج رقائق أكثر من نفس الحجم. على سبيل المثال، تنتج رقاقة بحجم 300 ملم أكثر من ضعف عدد المعالجات التي تنتجها رقاقة بحجم 200 ملم.

لقد ذكرنا بالفعل المنشطات، والتي يتم إجراؤها أثناء نمو بلورة واحدة. ولكن يتم إجراء المنشطات باستخدام الركيزة النهائية وأثناء عمليات الطباعة الحجرية الضوئية لاحقًا. يتيح لك ذلك تغيير الخصائص الكهربائية لمناطق وطبقات معينة، وليس البنية البلورية بأكملها

يمكن أن تتم إضافة المنشط من خلال الانتشار. تملأ ذرات المادة المشابهة المساحة الحرة داخل الشبكة البلورية، بين هياكل السيليكون. في بعض الحالات، من الممكن دمج الهيكل الحالي. ويتم الانتشار باستخدام الغازات (النيتروجين والأرجون) أو باستخدام المواد الصلبة أو غيرها من مصادر مادة السبائك.

طريقة أخرى للتطعيم هي زرع الأيونات، وهو مفيد جدًا في تغيير خصائص الركيزة التي تم تطعيمها، حيث يتم إجراء زرع الأيونات في درجات حرارة عادية. ولذلك، فإن الشوائب الموجودة لا تنتشر. يمكنك تطبيق قناع على الركيزة، والذي يسمح لك بمعالجة مناطق معينة فقط. بالطبع، يمكننا التحدث عن زرع الأيونات لفترة طويلة ومناقشة عمق الاختراق، وتفعيل المادة المضافة في درجات حرارة عالية، وتأثيرات القناة، والاختراق في مستويات الأكسيد، وما إلى ذلك، لكن هذا خارج نطاق مقالتنا. يمكن تكرار الإجراء عدة مرات أثناء الإنتاج.

لإنشاء مقاطع من دائرة متكاملة، يتم استخدام عملية الطباعة الحجرية الضوئية. نظرًا لأنه ليس من الضروري تشعيع سطح الركيزة بالكامل، فمن المهم استخدام ما يسمى بالأقنعة التي تنقل الإشعاع عالي الكثافة إلى مناطق معينة فقط. يمكن مقارنة الأقنعة بالسلبيات بالأبيض والأسود. تحتوي الدوائر المتكاملة على طبقات عديدة (20 طبقة أو أكثر)، وكل واحدة منها تحتاج إلى قناع خاص بها.

يتم تطبيق هيكل من طبقة رقيقة من الكروم على سطح لوح زجاج الكوارتز لإنشاء نمط. في هذه العملية، تقوم الأدوات باهظة الثمن التي تستخدم تدفق الإلكترون أو الليزر بكتابة بيانات الدائرة المتكاملة اللازمة، مما يؤدي إلى ظهور نمط الكروم على سطح ركيزة الكوارتز. من المهم أن نفهم أن كل تعديل على الدائرة المتكاملة يؤدي إلى الحاجة إلى إنتاج أقنعة جديدة، وبالتالي فإن عملية إجراء التغييرات بأكملها مكلفة للغاية. بالنسبة للمخططات المعقدة للغاية، يستغرق إنشاء الأقنعة وقتًا طويلاً جدًا.

باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية، يتم تشكيل الهيكل على ركيزة السيليكون. يتم تكرار العملية عدة مرات حتى يتم إنشاء العديد من الطبقات (أكثر من 20). يمكن أن تتكون الطبقات من مواد مختلفة، وتحتاج أيضًا إلى التفكير من خلال التوصيلات باستخدام الأسلاك المجهرية. يمكن خلط جميع الطبقات.

قبل أن تبدأ عملية الطباعة الحجرية الضوئية، يتم تنظيف الركيزة وتسخينها لإزالة الجزيئات اللزجة والماء. ثم يتم طلاء الركيزة بثاني أكسيد السيليكون باستخدام جهاز خاص. بعد ذلك، يتم تطبيق عامل اقتران على الركيزة، مما يضمن بقاء المادة المقاومة للضوء التي سيتم تطبيقها في الخطوة التالية على الركيزة. يتم تطبيق مادة مقاومة للضوء على منتصف الركيزة، والتي تبدأ بعد ذلك في التدوير بسرعة عالية بحيث يتم توزيع الطبقة بالتساوي على كامل سطح الركيزة. ثم يتم تسخين الركيزة مرة أخرى.

ثم، من خلال القناع، يتم تشعيع الغطاء بالليزر الكمي، والأشعة فوق البنفسجية الصلبة، والأشعة السينية، وأشعة الإلكترونات أو الأيونات - كل هذه المصادر الضوئية أو الطاقة يمكن استخدامها. تُستخدم حزم الإلكترون بشكل أساسي لإنشاء الأقنعة، وتستخدم الأشعة السينية والحزم الأيونية لأغراض البحث، ويهيمن على الإنتاج الصناعي اليوم الأشعة فوق البنفسجية الصلبة وأشعة الليزر الغازية.

تعمل الأشعة فوق البنفسجية الصلبة ذات الطول الموجي 13.5 نانومتر على إشعاع المادة المقاومة للضوء أثناء مرورها عبر القناع.

وقت الإسقاط والتركيز مهمان جدًا لتحقيق النتيجة المرجوة. سيؤدي التركيز الضعيف إلى بقاء جزيئات زائدة من المواد المقاومة للضوء لأن بعض الثقوب الموجودة في القناع لن يتم تشعيعها بشكل صحيح. سيحدث نفس الشيء إذا كان وقت العرض قصيرًا جدًا. بعد ذلك، سيكون هيكل المادة المقاومة للضوء واسعًا جدًا، وستكون المناطق الموجودة أسفل الثقوب مكشوفة بشكل خافت. من ناحية أخرى، يؤدي وقت العرض المفرط إلى إنشاء مساحات كبيرة جدًا أسفل الثقوب وبنية ضيقة جدًا من المواد المقاومة للضوء. كقاعدة عامة، فهي كثيفة العمالة للغاية ويصعب ضبط العملية وتحسينها. سيؤدي التعديل غير الناجح إلى انحرافات خطيرة في موصلات التوصيل.

يؤدي تثبيت العرض الخاص خطوة بخطوة إلى نقل الركيزة إلى الموضع المطلوب. ثم يمكن عرض خط أو قسم واحد، غالبًا ما يتوافق مع شريحة معالج واحدة. قد تؤدي عمليات التثبيت الصغيرة الإضافية إلى إدخال تغييرات إضافية. يمكنهم تصحيح التكنولوجيا الحالية وتحسين العملية الفنية. عادة ما تعمل التركيبات الصغيرة على مساحات أصغر من 1 متر مربع. ملم، بينما تغطي التركيبات التقليدية مساحات أكبر.

تنتقل الركيزة بعد ذلك إلى مرحلة جديدة حيث تتم إزالة المادة المقاومة للضوء الضعيفة، مما يسمح بالوصول إلى ثاني أكسيد السيليكون. هناك عمليات الحفر الرطبة والجافة التي تعالج مناطق ثاني أكسيد السيليكون. تستخدم العمليات الرطبة المركبات الكيميائية، بينما تستخدم العمليات الجافة الغاز. تتضمن عملية منفصلة إزالة المواد المقاومة للضوء المتبقية. غالبًا ما يجمع المصنعون بين الإزالة الرطبة والجافة لضمان إزالة المادة المقاومة للضوء بالكامل. وهذا أمر مهم لأن المادة المقاومة للضوء عضوية وإذا لم يتم إزالتها يمكن أن تسبب عيوبًا في الركيزة. بعد الحفر والتنظيف، يمكنك البدء في فحص الركيزة، والذي يحدث عادة في كل مرحلة مهمة، أو نقل الركيزة إلى دورة الطباعة الحجرية الضوئية الجديدة.

اختبار الركيزة، التجميع، التعبئة والتغليف

يتم اختبار الركائز النهائية فيما يسمى بمنشآت اختبار المسبار. إنهم يعملون مع الركيزة بأكملها. يتم تطبيق نقاط اتصال المسبار على نقاط اتصال كل بلورة، مما يسمح بإجراء الاختبارات الكهربائية. يقوم البرنامج باختبار جميع وظائف كل نواة.

عن طريق القطع، يمكن الحصول على حبات فردية من الركيزة. في الوقت الحالي، حددت منشآت التحكم في المسبار بالفعل البلورات التي تحتوي على أخطاء، لذلك يمكن بعد قطعها فصلها عن البلورات الجيدة. في السابق، تم وضع علامة مادية على البلورات التالفة، ولكن الآن ليست هناك حاجة لذلك، حيث يتم تخزين جميع المعلومات في قاعدة بيانات واحدة.

جبل كريستال

يجب بعد ذلك ربط النواة الوظيفية بحزمة المعالج باستخدام مادة لاصقة.

ثم تحتاج إلى إجراء اتصالات سلكية تربط جهات الاتصال أو أرجل العبوة والكريستال نفسه. يمكن استخدام وصلات الذهب أو الألومنيوم أو النحاس.

تستخدم معظم المعالجات الحديثة العبوات البلاستيكية مع موزع الحرارة.

عادةً ما يتم تغليف القلب بالسيراميك أو البلاستيك لمنع التلف. تم تجهيز المعالجات الحديثة بما يسمى بموزع الحرارة، والذي يوفر حماية إضافية للرقاقة، بالإضافة إلى سطح اتصال أكبر مع المبرد.

اختبار وحدة المعالجة المركزية

تتضمن المرحلة الأخيرة اختبار المعالج، والذي يتم في درجات حرارة مرتفعة، وفقًا لمواصفات المعالج. يتم تثبيت المعالج تلقائيًا في مقبس الاختبار، وبعد ذلك يتم تحليل جميع الوظائف الضرورية.

يعتمد التشغيل الخالي من العيوب للكمبيوتر الشخصي وأدائه بشكل أساسي على المعالج المجهز به. لذلك، عند شراء جهاز كمبيوتر، من الضروري ببساطة الانتباه إلى الشركة التي صنعت معالجها.

الشركات المصنعة الرئيسية لمعالجات أجهزة الكمبيوتر اليوم هي Intel و AMD. وهم، بطبيعة الحال، يتنافسون مع بعضهم البعض. فيما يلي خصائص مختصرة للعائلات الرئيسية لمعالجات هذه العلامات التجارية، والتي قد تكون معرفتها مفيدة عند اختيارها. لذا،

معالجات إنتل

من بين معالجات العلامة التجارية إنتل، يمكن تمييز أربع عائلات رئيسية:
معالجات أحادية وثنائية النواة من عائلة Celeron. الأول تقليدي ومثبت، ولكن عند الاختيار من الأفضل إعطاء الأفضلية للأخير، لأنه أكثر إنتاجية وسعره ليس أعلى بكثير من أحادي النواة.

Pentium هي عائلة من المعالجات أحادية النواة (من الأفضل اختيار نماذج من السلسلة السادسة مع ذاكرة تخزين مؤقت بسعة 2 ميجابايت) وتعديلاتها ثنائية النواة.

Core2 عبارة عن مجموعة كاملة من المعالجات متعددة النواة مع تعديلات ثنائية وثلاثية ورباعية النواة. عند اختيار مثل هذا المعالج، عليك الانتباه إلى حجم ذاكرة التخزين المؤقت وتردد الناقل. وبالطبع على قدراتك المالية.

Core i7 – معالجات رباعية النواة لأجهزة الكمبيوتر عالية الأداء.

معالجات شركة AMD

Sempron هو نظير لمعالج Celeron ذو الميزانية المحدودة.

Athlon هو نظير Pentium، ويستخدم في أجهزة الكمبيوتر ذات الطاقة المتوسطة.

Phenom هي عائلة من المعالجات القوية المصممة لإنشاء أجهزة كمبيوتر مخصصة للألعاب.

يعد Phenom II أقوى معالج أنتجته شركة AMD.

هذه هي الشركات المصنعة الرئيسية لمعالجات الكمبيوتر ومنتجاتها الأكثر استخدامًا المعروضة في سوق الكمبيوتر الحديث.

من الصعب جدًا مفاجأة المستهلك الحديث للإلكترونيات. لقد اعتدنا بالفعل على حقيقة أن هاتفنا الذكي يشغل جيبنا بشكل صحيح، وأن الكمبيوتر المحمول موجود في حقيبتنا، وأن الساعة الذكية تعد الخطوات على يدنا بطاعة، وأن سماعات الرأس المزودة بنظام فعال لتقليل الضوضاء تداعب آذاننا.

إنه أمر مضحك، لكننا اعتدنا أن نحمل معنا ليس جهاز كمبيوتر واحدًا، بل جهازي كمبيوتر أو ثلاثة أو أكثر في وقت واحد. بعد كل شيء، هذا هو بالضبط ما يمكنك الاتصال به الجهاز الذي لديه وحدة المعالجة المركزية. ولا يهم على الإطلاق كيف يبدو جهاز معين. الشريحة المصغرة التي تغلبت على مسار التطور المضطرب والسريع هي المسؤولة عن تشغيلها.

لماذا طرحنا موضوع المعالجات؟ انه سهل. على مدى السنوات العشر الماضية، حدثت ثورة حقيقية في عالم الأجهزة المحمولة.

لا يوجد سوى 10 سنوات الفرق بين هذه الأجهزة. لكن هاتف Nokia N95 بدا لنا في ذلك الوقت كجهاز فضائي، واليوم ننظر إلى ARKit بشيء من عدم الثقة

ولكن كان من الممكن أن يتحول كل شيء بشكل مختلف وكان من الممكن أن يظل جهاز Pentium IV المدمر هو الحلم النهائي للمشتري العادي.

لقد حاولنا تجنب المصطلحات التقنية المعقدة وإخبارنا بكيفية عمل المعالج ومعرفة البنية التي تمثل المستقبل.

1. كيف بدأ كل شيء

كانت المعالجات الأولى مختلفة تمامًا عما يمكنك رؤيته عند فتح غطاء وحدة النظام بجهاز الكمبيوتر الخاص بك.

بدلا من الدوائر الدقيقة في الأربعينيات من القرن العشرين، تم استخدامها المرحلات الكهروميكانيكية، مكملة بأنابيب مفرغة. كانت المصابيح بمثابة صمام ثنائي، ويمكن تنظيم حالته عن طريق خفض أو زيادة الجهد في الدائرة. تبدو هذه التصاميم كما يلي:

لتشغيل جهاز كمبيوتر واحد عملاق، كانت هناك حاجة إلى مئات، وأحيانًا آلاف المعالجات. ولكن في الوقت نفسه، لن تتمكن من تشغيل حتى محرر بسيط مثل NotePad أو TextEdit من نظامي التشغيل Windows وmacOS القياسيين المعينين على مثل هذا الكمبيوتر. الكمبيوتر ببساطة لن يكون لديه ما يكفي من الطاقة.

2. ظهور الترانزستورات

أولاً تأثير الترانزستور الميدانظهرت مرة أخرى في عام 1928. لكن العالم تغير فقط بعد ظهور ما يسمى ب الترانزستورات ثنائية القطب، افتتح في عام 1947.

في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي، طور الفيزيائي التجريبي والتر براتين والمنظر جون باردين أول ترانزستور نقطة النقطة. في عام 1950، تم استبداله بأول ترانزستور مستو، وفي عام 1954، أعلنت الشركة المصنعة المعروفة تكساس إنسترومنتس عن ترانزستور السيليكون.

لكن الثورة الحقيقية جاءت في عام 1959، عندما قام العالم جان هنري بتطوير أول ترانزستور من السيليكون المستوي (المسطح)، والذي أصبح الأساس للدوائر المتكاملة المتجانسة.

نعم، الأمر معقد بعض الشيء، لذلك دعونا نتعمق قليلاً ونفهم الجزء النظري.

3. كيف يعمل الترانزستور

لذلك، مهمة مثل هذا المكون الكهربائي الترانزستورهو السيطرة على التيار. ببساطة، هذا المفتاح الصغير الصعب يتحكم في تدفق الكهرباء.

الميزة الرئيسية للترانزستور مقارنة بالمفتاح التقليدي هي أنه لا يتطلب وجودًا بشريًا. أولئك. مثل هذا العنصر قادر على التحكم في التيار بشكل مستقل. بالإضافة إلى ذلك، فهو يعمل بشكل أسرع بكثير من تشغيل الدائرة الكهربائية أو إيقاف تشغيلها بنفسك.

ربما تتذكر من دورة علوم الكمبيوتر في مدرستك أن الكمبيوتر "يفهم" اللغة البشرية من خلال مجموعات من حالتين فقط: "تشغيل" و"إيقاف". في فهم الآلة، هذه هي الحالة "0" أو "1".

وظيفة الكمبيوتر هي تمثيل التيار الكهربائي بالأرقام.

وإذا كانت مهمة تبديل الحالات يتم تنفيذها في السابق بواسطة مرحلات كهربائية خرقاء وضخمة وغير فعالة، فقد تولى الترانزستور الآن هذا العمل الروتيني.

منذ أوائل الستينيات، بدأ تصنيع الترانزستورات من السيليكون، مما جعل من الممكن ليس فقط جعل المعالجات أكثر إحكاما، ولكن أيضًا زيادة موثوقيتها بشكل كبير.

ولكن أولا، دعونا نتعامل مع الصمام الثنائي

السيليكون(المعروف أيضًا باسم Si – "السيليسيوم" في الجدول الدوري) ينتمي إلى فئة أشباه الموصلات، مما يعني، من ناحية، أنه يمرر التيار بشكل أفضل من العازل الكهربائي، ومن ناحية أخرى، فهو أسوأ من المعدن.

سواء أردنا ذلك أم لا، لفهم العمل والتاريخ الإضافي لتطوير المعالجات، سيتعين علينا الانغماس في بنية ذرة سيليكون واحدة. لا تخف، سنجعلها مختصرة وواضحة جدًا.

تتمثل مهمة الترانزستور في تضخيم الإشارة الضعيفة باستخدام مصدر طاقة إضافي.

تحتوي ذرة السيليكون على أربعة إلكترونات، والتي بفضلها تشكل روابط (على وجه الدقة - الروابط التساهمية)مع نفس الذرات الثلاث القريبة، وتشكل شبكة بلورية. في حين أن معظم الإلكترونات تكون مرتبطة، فإن جزءًا صغيرًا منها قادر على التحرك عبر الشبكة البلورية. وبسبب هذا الانتقال الجزئي للإلكترونات يتم تصنيف السيليكون على أنه شبه موصل.

لكن مثل هذه الحركة الضعيفة للإلكترونات لن تسمح باستخدام الترانزستور عمليًا، لذلك قرر العلماء زيادة أداء الترانزستورات عن طريق منشطات، أو ببساطة، إضافة شبكة كريستال السيليكون مع ذرات العناصر ذات الترتيب المميز للإلكترونات.

لذلك بدأوا في استخدام شوائب الفوسفور 5 التكافؤ، والتي حصلوا عليها الترانزستورات من النوع n. إن وجود إلكترون إضافي جعل من الممكن تسريع حركتها، مما يزيد من التدفق الحالي.

عندما المنشطات الترانزستورات نوع فوأصبح البورون، الذي يحتوي على ثلاثة إلكترونات، بمثابة محفز. بسبب غياب إلكترون واحد، تظهر ثقوب في الشبكة البلورية (تعمل كشحنة موجبة)، ولكن نظرًا لأن الإلكترونات قادرة على ملء هذه الثقوب، فإن موصلية السيليكون تزداد بشكل ملحوظ.

لنفترض أننا أخذنا رقاقة سيليكون وقمنا بتطعيم جزء منها بمادة من النوع p والجزء الآخر بمادة من النوع n. لذلك وصلنا الصمام الثنائي- العنصر الأساسي للترانزستور.

الآن سوف تميل الإلكترونات الموجودة في الجزء n إلى الانتقال إلى الثقوب الموجودة في الجزء p. في هذه الحالة، سيكون للجانب n شحنة سالبة طفيفة، وسيكون للجانب p شحنة موجبة طفيفة. المجال الكهربائي، وهو حاجز، يتكون نتيجة لهذه "الجاذبية" سيمنع المزيد من حركة الإلكترونات.

إذا قمت بتوصيل مصدر طاقة بالصمام الثنائي بحيث يلامس "-" الجانب p من اللوحة، ويلامس "+" الجانب n، فسيكون تدفق التيار مستحيلًا بسبب حقيقة أن الثقوب سوف تنجذب إلى الاتصال السلبي لمصدر الطاقة، وسوف تنجذب الإلكترونات إلى الموجب، وسيتم فقدان الاتصال بين الإلكترونات الجانبية p و n بسبب تمدد الطبقة المدمجة.

ولكن إذا قمت بتوصيل الطاقة بجهد كافي في الاتجاه المعاكس، أي. "+" من المصدر إلى الجانب p، و"-" - إلى الجانب n، سيتم صد الإلكترونات الموجودة على الجانب n بواسطة القطب السالب ودفعها للخارج إلى الجانب p، مما يشغل الثقوب في المنطقة ف.

ولكن الآن تنجذب الإلكترونات إلى القطب الموجب لمصدر الطاقة وتستمر في التحرك عبر الفتحات p. وسميت هذه الظاهرة ديود التحيز إلى الأمام.

ديود + ديود = ترانزستور

يمكن اعتبار الترانزستور نفسه بمثابة ثنائيين متصلين ببعضهما البعض. وفي هذه الحالة تصبح المنطقة p (التي تقع فيها الثقوب) مشتركة بينهما وتسمى "القاعدة".

يحتوي الترانزستور N-P-N على منطقتين n مع إلكترونات إضافية - وهما أيضًا "الباعث" و"المجمع" ومنطقة واحدة ضعيفة بها ثقوب - المنطقة p، تسمى "القاعدة".

إذا قمت بتوصيل مصدر طاقة (دعنا نسميه V1) بالمناطق n للترانزستور (بغض النظر عن القطب)، فسيصبح أحد الصمامات الثنائية متحيزًا عكسيًا وسيكون الترانزستور متحيزًا مغلق.

ولكن، بمجرد توصيل مصدر طاقة آخر (دعنا نسميه V2)، نقوم بتعيين جهة الاتصال "+" على المنطقة p "المركزية" (القاعدة)، والاتصال "-" على المنطقة n (الباعث)، سوف تتدفق بعض الإلكترونات عبر السلسلة المشكلة مرة أخرى (V2)، وسوف ينجذب جزء منها إلى المنطقة الموجبة n. ونتيجة لذلك، سوف تتدفق الإلكترونات إلى منطقة المجمع وسيتم تضخيم التيار الكهربائي الضعيف.

دعونا الزفير!

4. إذن كيف يعمل الكمبيوتر؟

و الأن الأكثر أهمية.

اعتمادا على الجهد المطبق، يمكن أن يكون الترانزستور إما يفتح، أو مغلق. إذا كان الجهد غير كافٍ للتغلب على الحاجز المحتمل (نفس الحاجز عند تقاطع الصفائح p و n)، فسيكون الترانزستور في حالة مغلقة - في حالة "إيقاف التشغيل" أو بلغة النظام الثنائي " 0".

عندما يكون هناك جهد كافي، يفتح الترانزستور ونحصل على القيمة "on" أو "1" في النظام الثنائي.

هذه الحالة، 0 أو 1، تسمى "البت" في صناعة الكمبيوتر.

أولئك. لقد حصلنا على الخاصية الرئيسية للمفتاح الذي فتح الطريق أمام أجهزة الكمبيوتر للبشرية!

أول كمبيوتر رقمي إلكتروني ENIAC، أو ببساطة، الكمبيوتر الأول، استخدم حوالي 18 ألف مصباح ثلاثي الصمام. كان الكمبيوتر بحجم ملعب تنس ويزن 30 طنًا.

لفهم كيفية عمل المعالج، عليك أن تفهم نقطتين رئيسيتين أخريين.

اللحظة 1. لذلك، قررنا ما هو عليه قليل. ولكن بمساعدتها لا يمكننا الحصول إلا على خاصيتين لشيء ما: إما "نعم" أو "لا". لكي يتعلم الكمبيوتر فهمنا بشكل أفضل، توصلوا إلى مجموعة من 8 بتات (0 أو 1)، والتي أطلقوا عليها اسم بايت.

باستخدام البايت، يمكنك تشفير رقم من صفر إلى 255. باستخدام هذه الأرقام الـ 255 - مجموعات من الأصفار والآحاد، يمكنك تشفير أي شيء.

اللحظة 2.إن وجود أرقام وحروف بدون أي منطق لن يعطينا شيئًا. ولهذا السبب ظهر المفهوم العوامل المنطقية.

من خلال توصيل ترانزستورين فقط بطريقة معينة، يمكنك تحقيق العديد من الإجراءات المنطقية في وقت واحد: "و"، "أو". يتيح لك الجمع بين الجهد عبر كل ترانزستور ونوع الاتصال الحصول على مجموعات مختلفة من الأصفار والواحدات.

ومن خلال جهود المبرمجين، بدأ تحويل قيم الأصفار والواحدات، النظام الثنائي، إلى عدد عشري حتى نتمكن من فهم ما "يقوله" الكمبيوتر بالضبط. ولإدخال الأوامر، يجب أن نمثل أفعالنا المعتادة، مثل إدخال الحروف من لوحة المفاتيح، كسلسلة ثنائية من الأوامر.

ببساطة، تخيل أن هناك جدول بحث، على سبيل المثال، ASCII، حيث يتوافق كل حرف مع مجموعة من 0 و 1. قمت بالضغط على زر على لوحة المفاتيح، وفي تلك اللحظة على المعالج، وبفضل البرنامج، تم تبديل الترانزستورات بحيث يظهر على الشاشة الحرف المكتوب على المفتاح.

هذا تفسير بدائي إلى حد ما لمبدأ تشغيل المعالج والكمبيوتر، لكن فهم ذلك يسمح لنا بالمضي قدما.

5. وبدأ سباق الترانزستورات

بعد أن اقترح مهندس الراديو البريطاني جيفري دامر وضع أبسط المكونات الإلكترونية في بلورة شبه موصلة متجانسة في عام 1952، خطت صناعة الكمبيوتر قفزات للأمام.

من الدوائر المتكاملة التي اقترحها دهمر، انتقل المهندسون بسرعة إلى الرقائق الدقيقةوالتي كانت تعتمد على الترانزستورات. في المقابل، تم بالفعل تشكيل العديد من هذه الرقائق وحدة المعالجة المركزية.

وبطبيعة الحال، فإن أبعاد هذه المعالجات لا تشبه كثيرا تلك الحديثة. بالإضافة إلى ذلك، حتى عام 1964، كانت جميع المعالجات تعاني من مشكلة واحدة. لقد تطلبوا نهجًا فرديًا - لغة برمجة مختلفة لكل معالج.

• 1964 نظام آي بي إم/360.كمبيوتر متوافق مع الكود العالمي. يمكن استخدام مجموعة التعليمات الخاصة بنموذج معالج واحد لنموذج آخر.
• السبعينيات.ظهور المعالجات الدقيقة الأولى. معالج ذو شريحة واحدة من إنتل. إنتل 4004 - 10 ميكرون TC، 2300 ترانزستور، 740 كيلو هرتز.
• 1973 إنتل 4040 وإنتل 8008. 3000 ترانزستور، 740 كيلو هرتز لإنتل 4040 و3500 ترانزستور عند 500 كيلو هرتز لإنتل 8008.
• 1974 إنتل 8080. 6 ميكرون TC و6000 ترانزستور. تردد الساعة حوالي 5000 كيلو هرتز. تم استخدام هذا المعالج في كمبيوتر Altair-8800. النسخة المحلية من Intel 8080 هي معالج KR580VM80A، الذي طوره معهد كييف لأبحاث الأجهزة الدقيقة. 8 بت.
• 1976 إنتل 8080. 3 ميكرون TC و6500 ترانزستور. تردد الساعة 6 ميجا هرتز. 8 بت.
• 1976 زيلوج Z80. 3 ميكرون TC و 8500 ترانزستور. تردد الساعة يصل إلى 8 ميجا هرتز. 8 بت.
• 1978 إنتل 8086. 3 ميكرون TC و 29000 ترانزستور. تردد الساعة حوالي 25 ميجا هرتز. نظام التعليمات x86، والذي لا يزال يستخدم حتى اليوم. 16 بت.
• 1980 إنتل 80186. 3 ميكرون TC و134000 ترانزستور. تردد الساعة – ما يصل إلى 25 ميجا هرتز. 16 بت.
• 1982 إنتل 80286. 1.5 ميكرون TC و134000 ترانزستور. التردد – ما يصل إلى 12.5 ميجا هرتز. 16 بت.
• 1982 موتورولا 68000. 3 ميكرون و 84000 ترانزستور. تم استخدام هذا المعالج في كمبيوتر Apple Lisa.
• 1985 إنتل 80386. 1.5 ميكرون TP و275000 ترانزستور - ما يصل إلى 33 ميجاهرتز في إصدار 386SX.

يبدو أن القائمة يمكن أن تستمر إلى أجل غير مسمى، ولكن بعد ذلك واجه مهندسو إنتل مشكلة خطيرة.

6. قانون مور أو كيف يمكن لصانعي الرقائق المضي قدمًا

إنها نهاية الثمانينات. في أوائل الستينيات، قام أحد مؤسسي شركة إنتل، جوردون مور، بصياغة ما يسمى بـ "قانون مور". يبدو مثل هذا:

كل 24 شهرًا، يتضاعف عدد الترانزستورات الموضوعة على شريحة الدائرة المتكاملة.

ومن الصعب أن نطلق على هذا القانون قانونا. سيكون من الأدق أن نسميها الملاحظة التجريبية. وبمقارنة وتيرة تطور التكنولوجيا، خلص مور إلى إمكانية ظهور اتجاه مماثل.

ولكن بالفعل أثناء تطوير الجيل الرابع من معالجات Intel i486، واجه المهندسون حقيقة أنهم وصلوا بالفعل إلى سقف الأداء ولم يعد بإمكانهم استيعاب المزيد من المعالجات في نفس المنطقة. في ذلك الوقت، لم تكن التكنولوجيا تسمح بذلك.

كحل، تم العثور على خيار باستخدام عدد من العناصر الإضافية:

• الذاكرة المؤقتة؛
• الناقل.
• معالج مساعد مدمج
• المضاعف

يقع جزء من العبء الحسابي على أكتاف هذه العقد الأربع. نتيجة لذلك، أدى ظهور ذاكرة التخزين المؤقت، من ناحية، إلى تعقيد تصميم المعالج، من ناحية أخرى، أصبح أقوى بكثير.

يتكون معالج Intel i486 بالفعل من 1.2 مليون ترانزستور، ويبلغ الحد الأقصى لتردد التشغيل 50 ميجاهرتز.

في عام 1995، انضمت AMD إلى التطوير وأصدرت أسرع معالج متوافق مع i486 Am5x86 على بنية 32 بت في ذلك الوقت. وقد تم تصنيعه بالفعل باستخدام عملية تقنية 350 نانومتر، ووصل عدد المعالجات المثبتة إلى 1.6 مليون وحدة. ارتفع تردد الساعة إلى 133 ميجا هرتز.

لكن صانعي الرقائق لم يجرؤوا على متابعة زيادة عدد المعالجات المثبتة على الشريحة وتطوير بنية CISC (حوسبة مجموعة التعليمات المعقدة) الطوباوية بالفعل. وبدلاً من ذلك، اقترح المهندس الأمريكي ديفيد باترسون تحسين تشغيل المعالجات، مع ترك التعليمات الحسابية الأكثر أهمية فقط.

لذلك تحول مصنعو المعالجات إلى النظام الأساسي RISC (حوسبة مجموعة التعليمات المخفضة) ولكن تبين أن هذا لم يكن كافيًا.

وفي عام 1991، تم إصدار معالج R4000 64 بت الذي يعمل بسرعة 100 ميجاهرتز. بعد ثلاث سنوات، يظهر المعالج R8000، وبعد عامين آخرين، R10000 بتردد ساعة يصل إلى 195 ميجا هرتز. في الوقت نفسه، تطور سوق معالجات SPARC، وكانت السمة المعمارية لها هي عدم وجود تعليمات الضرب والقسمة.

وبدلاً من القتال حول عدد الترانزستورات، بدأ مصنعو الرقائق في إعادة النظر في بنية عملهم. إن رفض الأوامر "غير الضرورية" وتنفيذ التعليمات في دورة ساعة واحدة ووجود سجلات ذات قيمة عامة وخطوط الأنابيب جعل من الممكن زيادة تردد الساعة وقوة المعالجات بسرعة دون تشويه عدد الترانزستورات.

فيما يلي بعض البنى المعمارية التي ظهرت بين عامي 1980 و1995:

• سبارك؛
• ذراع;
• باور بي سي؛
• إنتل P5؛
• ايه ام دي كيه 5؛
• إنتل P6.

كانت تعتمد على منصة RISC، وفي بعض الحالات، الاستخدام الجزئي والمشترك لمنصة CISC. لكن تطور التكنولوجيا دفع صانعي الرقائق مرة أخرى إلى مواصلة توسيع المعالجات.

في أغسطس 1999، دخلت السوق AMD K7 Athlon، المصنعة باستخدام تقنية معالجة 250 نانومتر وتتضمن 22 مليون ترانزستور. وفي وقت لاحق تم رفع المستوى إلى 38 مليون معالج. ثم يصل إلى 250 مليون.

زاد المعالج التكنولوجي، زاد تردد الساعة. ولكن، كما تقول الفيزياء، هناك حد لكل شيء.

7. نهاية منافسات الترانزستور اقتربت

في عام 2007، أدلى جوردون مور بتصريح قوي للغاية:

سوف يتوقف تطبيق قانون مور قريبًا. من المستحيل تثبيت عدد غير محدود من المعالجات إلى ما لا نهاية. والسبب في ذلك هو الطبيعة الذرية للمادة.

من الملاحظ بالعين المجردة أن شركتي تصنيع الرقائق الرائدتين AMD و Intel قد أبطأتا بشكل واضح وتيرة تطوير المعالج خلال السنوات القليلة الماضية. لقد زادت دقة العملية التكنولوجية إلى بضعة نانومترات فقط، ولكن من المستحيل استيعاب المزيد من المعالجات.

وبينما يهدد مصنعو أشباه الموصلات بإطلاق ترانزستورات متعددة الطبقات، بالتوازي مع الذاكرة ثلاثية الأبعاد والذاكرة، فإن بنية x86، التي اصطدمت بحائط قبل ثلاثين عاما، كان لديها منافس جدي.

8. ما الذي ينتظر المعالجات "العادية"؟

تم إبطال قانون مور منذ عام 2016. تم الإعلان عن ذلك رسميًا من قبل أكبر شركة مصنعة للمعالجات Intel. ولم يعد صانعو الرقائق قادرين على مضاعفة قوة الحوسبة بنسبة 100% كل عامين.

والآن لدى الشركات المصنعة للمعالجات العديد من الخيارات غير الواعدة.

الخيار الأول هو الحواسيب الكمومية. لقد كانت هناك بالفعل محاولات لبناء جهاز كمبيوتر يستخدم الجسيمات لتمثيل المعلومات. هناك العديد من الأجهزة الكمومية المشابهة في العالم، لكنها لا تستطيع التعامل إلا مع خوارزميات منخفضة التعقيد.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الإطلاق التسلسلي لهذه الأجهزة في العقود القادمة أمر غير وارد. باهظة الثمن وغير فعالة و...بطيئة!

نعم، تستهلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية طاقة أقل بكثير من نظيراتها الحديثة، لكنها ستكون أبطأ حتى يتحول المطورون ومصنعو المكونات إلى التكنولوجيا الجديدة.

الخيار الثاني هو المعالجات ذات طبقات الترانزستورات. تفكر كل من Intel وAMD بجدية في هذه التقنية. وبدلاً من طبقة واحدة من الترانزستورات، يخططون لاستخدام عدة ترانزستورات. يبدو أنه في السنوات القادمة قد تكون هناك معالجات لن يكون فيها عدد النوى وسرعة الساعة مهمًا فحسب، بل أيضًا عدد طبقات الترانزستور.

الحل له الحق في الحياة، وبالتالي سيتمكن المحتكرون من حلب المستهلك لعقدين آخرين، ولكن في النهاية، ستصل التكنولوجيا إلى السقف مرة أخرى.

اليوم، ومن خلال فهمها للتطور السريع في بنية ARM، أعلنت Intel بهدوء عن شرائح من عائلة Ice Lake. سيتم تصنيع المعالجات باستخدام تقنية معالجة تبلغ 10 نانومتر، وستصبح الأساس للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والأجهزة المحمولة. لكن هذا سيحدث في عام 2019.

9. ARM هو المستقبل

لذلك، ظهرت بنية x86 في عام 1978 وتنتمي إلى نوع النظام الأساسي CISC. أولئك. فهو في حد ذاته يفترض وجود تعليمات لجميع المناسبات. تعددية الاستخدامات هي القوة الرئيسية لـ x86.

ولكن، في الوقت نفسه، لعبت تعدد الاستخدامات أيضًا مزحة قاسية مع هذه المعالجات. لدى x86 عدة عيوب رئيسية:

• تعقيد الأوامر وتعقيدها الصريح؛
• ارتفاع استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة.

كان على الأداء العالي أن يقول وداعًا لكفاءة الطاقة. علاوة على ذلك، تعمل شركتان حاليًا على بنية x86، والتي يمكن بسهولة اعتبارها محتكرة. هذه هي إنتل وأيه إم دي. هم فقط من يمكنهم إنتاج معالجات x86، مما يعني أنهم وحدهم من يتحكم في تطور التكنولوجيا.

في الوقت نفسه، تقوم العديد من الشركات بتطوير ARM (Arcon Risk Machine). في عام 1985، اختار المطورون منصة RISC كأساس لمزيد من التطوير للهندسة المعمارية.

على عكس CISC، يتضمن RISC تطوير معالج بالحد الأدنى المطلوب من عدد التعليمات، ولكن مع أقصى قدر من التحسين. معالجات RISC أصغر بكثير من CISC، وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأبسط.

علاوة على ذلك، تم إنشاء ARM في الأصل فقط كمنافس لـ x86. قام المطورون بتعيين مهمة بناء بنية أكثر كفاءة من x86.

منذ الأربعينيات، أدرك المهندسون أن إحدى المهام ذات الأولوية تظل العمل على تقليل حجم أجهزة الكمبيوتر، وقبل كل شيء، المعالجات نفسها. ولكن من غير المرجح أنه منذ ما يقرب من 80 عامًا كان من الممكن أن يتخيل أي شخص أن الكمبيوتر الكامل سيكون أصغر من علبة الثقاب.

كانت بنية ARM مدعومة من قبل شركة Apple، التي أطلقت إنتاج أجهزة Newton اللوحية استنادًا إلى عائلة ARM6 من معالجات ARM.

فمبيعات أجهزة الكمبيوتر المكتبية آخذة في الانخفاض، في حين أن عدد الأجهزة المحمولة المباعة سنويا يصل بالفعل إلى المليارات. في كثير من الأحيان، بالإضافة إلى الأداء، عند اختيار أداة إلكترونية، يهتم المستخدم بعدة معايير أخرى:

• إمكانية التنقل؛
• استقلال.

معمارية x86 قوية في الأداء، ولكن بمجرد التخلي عن التبريد النشط، سيبدو المعالج القوي مثيرًا للشفقة مقارنة بمعمارية ARM.

10. لماذا تعتبر ARM هي الشركة الرائدة بلا منازع؟

من غير المرجح أن تتفاجأ بأن هاتفك الذكي، سواء كان هاتف Android أو هاتف Apple الرائد لعام 2016، أقوى بعشرات المرات من أجهزة الكمبيوتر الكاملة من أواخر التسعينيات.

ولكن ما مدى قوة نفس iPhone؟

إن المقارنة بين بنائين مختلفين في حد ذاتها أمر صعب للغاية. لا يمكن إجراء القياسات هنا إلا بشكل تقريبي، ولكن يمكنك فهم الميزة الهائلة التي توفرها معالجات الهواتف الذكية المبنية على بنية ARM.

المساعد العالمي في هذا الأمر هو اختبار أداء Geekbench الاصطناعي. الأداة متاحة على أجهزة الكمبيوتر المكتبية وعلى منصات Android و iOS.

من الواضح أن أجهزة الكمبيوتر المحمولة متوسطة المدى والمبتدئة تتخلف عن أداء iPhone 7. في الجزء العلوي، كل شيء أكثر تعقيدًا بعض الشيء، ولكن في عام 2017، أصدرت Apple جهاز iPhone X مع شريحة A11 Bionic الجديدة.

هناك، أصبحت بنية ARM مألوفة لك بالفعل، ولكن نتائج Geekbench تضاعفت تقريبًا. أجهزة الكمبيوتر المحمولة من "أعلى المستويات" متوترة.

ولكن مرت سنة واحدة فقط.

يتقدم تطوير ARM بسرعة فائقة. في حين أن Intel و AMD تظهران زيادة في الأداء بنسبة 5-10٪ عامًا بعد عام، إلا أنه خلال نفس الفترة تمكن مصنعو الهواتف الذكية من زيادة قوة المعالجات بمقدار مرتين إلى مرتين ونصف.

يود المستخدمون المتشككون الذين يتصفحون الخطوط العليا لـ Geekbench أن يتم تذكيرهم: في تقنيات الهاتف المحمول، الحجم هو الأكثر أهمية.

ضع جهاز كمبيوتر الكل في واحد مع معالج قوي ذو 18 نواة على الطاولة، والذي "يمزق بنية ARM إلى أشلاء"، ثم ضع iPhone بجانبه. هل تشعر بالفرق؟

11. بدلا من الانسحاب

من المستحيل تغطية تاريخ تطور الكمبيوتر الممتد لثمانين عامًا في مادة واحدة. ولكن بعد قراءة هذا المقال، ستتمكن من فهم كيفية عمل العنصر الرئيسي في أي جهاز كمبيوتر – المعالج – وما يمكن توقعه من السوق في السنوات القادمة.

بالطبع، ستعمل Intel وAMD على زيادة عدد الترانزستورات على الشريحة الواحدة والترويج لفكرة العناصر متعددة الطبقات.

لكن هل أنت، كمستهلك، بحاجة إلى هذا النوع من القوة؟

من غير المرجح أن تكون غير راضٍ عن أداء iPad Pro أو iPhone X الرائد. لا أعتقد أنك غير راضٍ عن أداء جهاز الطهي متعدد الوظائف في مطبخك أو جودة الصورة على تلفزيون 4K مقاس 65 بوصة. لكن كل هذه الأجهزة تستخدم معالجات تعتمد على بنية ARM.

لقد أعلن Windows رسميًا بالفعل أنه يتطلع إلى ARM باهتمام. قامت الشركة بتضمين دعم لهذه البنية في نظام التشغيل Windows 8.1، وتعمل الآن بنشاط جنبًا إلى جنب مع شركة Qualcomm الرائدة في مجال تصنيع شرائح ARM.

ألقت Google أيضًا نظرة على ARM - يدعم نظام التشغيل Chrome OS هذه البنية. ظهرت العديد من توزيعات Linux المتوافقة أيضًا مع هذه البنية. وهذه ليست سوى البداية.

وحاول فقط أن تتخيل للحظة مدى متعة الجمع بين معالج ARM الموفر للطاقة وبطارية الجرافين. هذه البنية هي التي ستجعل من الممكن الحصول على الأدوات المحمولة المريحة التي ستكون قادرة على إملاء المستقبل.

وحدة المعالجة المركزيةهذا هو قلب أي جهاز كمبيوتر حديث. أي معالج دقيق هو في الأساس دائرة متكاملة كبيرة توجد عليها الترانزستورات. من خلال تمرير التيار الكهربائي، تتيح لك الترانزستورات إنشاء حسابات منطقية ثنائية (تشغيل - إيقاف). تعتمد المعالجات الحديثة على تقنية 45 نانومتر. 45 نانومتر (نانومتر) هو حجم ترانزستور واحد موجود على رقاقة المعالج. حتى وقت قريب، كانت تقنية 90 نانومتر تستخدم بشكل رئيسي.

وتصنع الرقائق من السيليكون، وهو ثاني أكبر رواسب في القشرة الأرضية.

يتم الحصول على السيليكون عن طريق المعالجة الكيميائية، وتنقيته من الشوائب. بعد ذلك، يبدأون في إذابته، ليشكلوا أسطوانة من السيليكون يبلغ قطرها 300 ملم. يتم بعد ذلك تقطيع هذه الأسطوانة إلى ألواح بخيط ماسي. سمك كل لوحة حوالي 1 ملم. للتأكد من أن اللوحة لها سطح مثالي، بعد قطعها بخيط، يتم صقلها بآلة طحن خاصة.

بعد ذلك، يصبح سطح رقاقة السيليكون أملسًا تمامًا. بالمناسبة، أعلنت العديد من شركات التصنيع بالفعل عن إمكانية العمل بألواح مقاس 450 مم. كلما كان السطح أكبر، زاد عدد الترانزستورات التي يجب استيعابها، وزاد أداء المعالج.

وحدة المعالجة المركزيةيتكون من رقاقة سيليكون يوجد على سطحها ما يصل إلى تسع طبقات من الترانزستورات، مفصولة بطبقات أكسيد للعزل.

تطوير تكنولوجيا المعالجات

اكتشف جوردون مور، أحد مؤسسي شركة إنتل، إحدى الشركات الرائدة في إنتاج المعالجات في العالم، في عام 1965، بناءً على ملاحظاته، قانونًا تظهر بموجبه نماذج جديدة من المعالجات والرقائق على فترات زمنية متساوية. يتزايد عدد الترانزستورات في المعالجات مرتين تقريبًا خلال عامين. منذ أربعين عاما، ظل قانون جوردون مور يعمل دون تحريف. أصبح تطوير التقنيات المستقبلية قاب قوسين أو أدنى - فهناك بالفعل نماذج أولية عاملة تعتمد على تقنيات إنتاج المعالجات 32 نانومتر و 22 نانومتر. حتى منتصف عام 2004، تعتمد قوة المعالج في المقام الأول على تردد المعالج، ولكن منذ عام 2005، توقف تردد المعالج عمليا عن النمو. ظهرت تقنية معالجات جديدة متعددة النواة. وهذا يعني أنه يتم إنشاء العديد من نوى المعالج بتردد ساعة متساوٍ، وأثناء التشغيل يتم تلخيص قوة النوى. وهذا يزيد من قوة المعالج الإجمالية.

أدناه يمكنك مشاهدة فيديو حول إنتاج المعالجات.