Транзисторы и микросхемы
По мотивам глав 4–5 учебника Д. В. Фомина "Основы компьютерной электроники". Подробнее — в разделе Железо.
Компьютер оперирует нулями и единицами — см. Цифровой сигнал. Физически уровни 0 и 1 переключают транзисторы — крошечные полупроводниковые элементы. Миллиарды транзисторов собраны на микросхемах.
Что делает транзистор
Транзистор — полупроводниковый элемент. В цифровой схеме он работает как ключ:
- ток идёт — логическая 1
- ток не идёт — логический 0
Управляющий сигнал на одном выводе открывает или закрывает канал — как выключатель света.
Транзистор может также усиливать слабый сигнал. В аналоговой технике (радио, усилители) используют именно усиление. В процессоре и памяти — в первую очередь ключевой режим.
Транзистор (1947) заменил электронные лампы. Компьютеры стали меньше, быстрее и экономичнее.
Типы транзисторов
| Тип | Где встречается | Роль |
|---|---|---|
| Биполярный (BJT) | Старые схемы, учебные стенды | Ключ и усилитель |
| Полевой (FET, MOSFET) | Процессоры, память | Основа современных микросхем |
В процессоре и RAM — МОП-транзисторы (MOSFET). Их умещают на площади меньше человеческого волоса.
От транзистора к процессору
Из нескольких транзисторов собирают логические элементы — схемы "И", "ИЛИ", "НЕ". Из них — триггеры (ячейки памяти), счётчики, регистры.
Триггер — схема, которая "запоминает" 0 или 1, пока включено питание (или пока держится заряд в DRAM).
Регистр — группа триггеров, хранящая несколько бит сразу.
Интегральная микросхема (ИМС)
Микросхема — пластина кремния, на которой тысячи или миллиарды транзисторов уже соединены в готовую схему. Снаружи — корпус с выводами (ножками) для питания, данных и управления.
Как делают (упрощённо)
- Кремниевая пластина (wafer) — основа
- Фотолитография — через маски "рисуют" слои светом (как трафарет в микрометрах)
- Легирование — впрыскивают примеси, меняя проводимость участков
- Сборка — нарезают пластину на кристаллы (die), припаивают к корпусу
Технологический процесс (7 нм, 5 нм, 3 нм) — минимальный размер элемента на кристалле. Чем меньше транзистор, тем больше их помещается на том же куске кремния — растёт мощность CPU.
Типы микросхем по назначению
| Класс | Примеры | За что отвечает |
|---|---|---|
| Память | DDR5, Flash, EEPROM | Хранение битов |
| Логика / процессор | CPU, GPU | Вычисления |
| Комбинационные | Мультиплексоры, сумматоры | Обработка сигналов "на лету" |
| Последовательностные | Триггеры, счётчики | Состояние, такты |
В системном блоке десятки микросхем:
- процессор
- чипсет
- контроллер USB
- Wi‑Fi-модуль
- BIOS на Flash
Нанотехнологии
В топовых процессорах структуры размером около 3–5 нм (нанометров — миллиардные доли метра). На таких масштабах проявляются квантовые эффекты — электрон может "просачиваться" через барьер, и простой ключ перестаёт быть надёжным.
Инженеры применяют:
- трёхмерные транзисторы (FinFET)
- одноэлектронные устройства
- новые материалы помимо кремния
Параллельно развивают алгоритмы и архитектуру — несколько ядер, GPU, специализированные ускорители — см. Процессор.
Что Вы видите на плате
| Надпись или деталь | Что внутри |
|---|---|
| "8 GB RAM" | Миллиарды ячеек на транзисторах и конденсаторах |
| "Intel Core i5" | Кристалл с миллиардами транзисторов |
| Кнопка включения | Запускает цепи питания и BIOS на Flash |
Подробнее про память — Память изнутри.
Мини-задания
1. Транзистор в цифровой схеме — ключ или усилитель?
Ответ: в цифре — ключ.
2. Почему ноутбук 2020 года быстрее ноутбука 2010-го при той же частоте в ГГц?
Ответ: больше транзисторов на кристалле и эффективнее архитектура.
3. Найдите на материнской плате (с разрешения взрослых) чёрный квадрат с множеством ножек — это процессор в корпусе.