Леонид Черняк – История электронных компьютеров (страница 6)

Магнитные сердечники применялись не только в оперативной памяти (ОЗУ), но и в постоянной памяти (ПЗУ). Программы и данные записывались методом физической прошивки проводами, и с тех пор сохранился термин «прошивка ПЗУ», хотя в современных полупроводниковых ПЗУ процедура записи полностью изменилась.

Полупроводниковая память

Для начала уточним терминологию, сложившуюся более полувека назад. Память с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM) – это оперативная память компьютера, к которой имеет прямой доступ центральный процессор (CPU). Главное отличие RAM на полупроводниках от ферритовой памяти заключается в энергозависимости (volatile): данные сохраняются только при подаче питания и теряются при его отключении.

Исторически выделились два типа RAM, это деление сохраняется до сих пор:

• Статическая RAM (SRAM) – использует триггеры на транзисторах (один триггер на один бит). Триггер устойчив и сохраняет состояние при наличии питания. SRAM называется «статической», потому что для удержания данных дополнительных действий не требуется.

• Динамическая RAM (DRAM) – хранит бит данных в конденсаторе. Изоляторы не идеальны, поэтому конденсаторы постепенно разряжаются; для поддержания данных требуется периодическая подзарядка. По этой причине RAM такого типа называется «динамической».

SRAM работает быстрее и потребляет меньше энергии, но сложнее и дороже. DRAM медленнее, требует подзарядки, но дешевле и позволяет создавать большие массивы памяти. В компьютере используется компромисс: SRAM применяют в кэше, где размер ограничен стоимостью, а основная память строится на DRAM и измеряется гигабайтами.

Первые попытки создания полупроводниковой памяти

Первые образцы электронной памяти на дискретных полупроводниках начались еще в 1950-х, задолго до появления интегральных схем. Они создавались для сверхоперативной регистровой памяти, ускоряющей обмен данными. Однако на технологическом уровне того времени такие решения были слишком дорогими и не могли стать массовыми.

Более чем через десять лет компания Signetics, основанная выходцами из Fairchild, смогла создать микросхему типа SRAM для работы в качестве сверхоперативной памяти. Эту память называли scratchpad memory – «блокнот для черновых записей» между процессором и основной магнитной памятью. По сути, это был аналог современного кэша L1.

В 1963 году Роберт Норман изобрел более совершенную биполярную SRAM, а в 1964 году Джон Шмидт создал 64-битную MOS-p-канальную SRAM. В апреле 1969 года Intel выпустила Intel 3101, первую промышленно произведенную SRAM. С тех пор SRAM постоянно совершенствовалась и к 1995 году стала стандартом для кэширования процессоров в серверах.

DRAM: идея и реализация

В отличие от SRAM, история DRAM насыщена событиями и повлияла на все устройства: от серверов до смартфонов. Ей человечество обязано сотруднику IBM Роберту Деннарду (1932).

Деннард родился в Техасе, получил бакалавра и магистра в Далласе (1954 и 1956), а Ph.D. в 1958 году в Технологическом институте Карнеги в Питтсбурге. В IBM он занимался исследованиями памяти. Идея создания DRAM пришла к нему как инсайт, напоминающий притчу о Ньютоне и яблоке: после долгой встречи коллег по улучшению ферритовой памяти он заметил очевидные недостатки – низкую скорость и трудоемкость ручной сборки.

При этом его проект MOS-SRAM был перспективным, но требовал шесть транзисторов на один бит. Тогда Деннарду пришла мысль: а нельзя ли обойтись одним транзистором, используя заряд конденсатора для хранения 0 или). Идея показалась слишком смелой, и некоторое время IBM не воспринимала ее всерьез.

В 1967 году Деннарду удалось довести проект до патентной заявки на однотранзисторную DRAM, выданной в 1968 году. В 1970 году Intel создала успешный 1-килобитный DRAM-чип, а к середине 1970-х появились 4-килобитные чипы с однотранзисторной ячейкой. Рост емкости шел по закону Мура.

Деннард сам признавал: «Я знал, что это будет большая вещь, но не знал, что она будет иметь такое широкое влияние, какое имеет сегодня».

DRAM доминирует и используется в виде Double Data Rate Synchronous DRAM (DDR SDRAM) – синхронной динамической памяти с высокой скоростью передачи данных.

Интегральные микросхемы

Создание интегральных микросхем (Integrated Circuit, IC) открыло путь к компьютерам третьего поколения. Часто термин чип используют как синоним IC в корпусе с контактами, но точнее называть чипом сам полупроводниковый кристалл с электронными компонентами, а корпус – лишь его конструктивной оболочкой.

Историю IC часто упрощают, сводя ее к двум именам – Джека Килби и Роберта Нойса, которых называют «отцами интегральной схемы». На самом деле в развитии технологии участвовали десятки инженеров и ученых, а заслуги Килби и Нойса до сих пор вызывают споры. Присуждение Нобелевской премии Килби также считается некоторыми исследователями спорным, ведь речь шла не об одиночном изобретении, а о становлении целой отрасли.

Идея объединить несколько транзисторов на одной подложке возникла еще в 1949 году у немецкого физика Вернера Якоби, который собрал пять транзисторов в усилитель – по сути, первую интегральную схему. Однако его работа осталась экспериментом.

В 1952 году английский инженер Джеффри Даммер, позже названный «пророком IC», писал: «С появлением транзистора станет возможным создавать схемы в виде единого модуля без соединительных проводов». Он даже сделал модель твердотельного триггера как монолитный блок, но без необходимых технологий практического применения добиться не удалось.

• В 1950-е годы появлялись прототипы интегральных схем:

• Харвик Джонсон и Торкель Уоллмарк из RCA подали заявку на однокристальный генератор.

• Артур Д’Азаро и Иэн Росс из Bell Labs создали счетчик для телефонии.

• Японец Ясуро Таруи предложил собственную концепцию интеграции.

Даже неудачный «четырехслойный диод» Шокли можно рассматривать ка попытку объединить функции нескольких компонентов в одном кристалле. Все эти разработки оставались узкоспециализированными.

Прорыв обеспечил Джек Килб из Texas Instruments. В 1958 году он доказал возможность размещения транзисторов, резисторов и конденсаторов на одном кристалле и соединения их между собой. В 1959 году TI представила первую коммерческую интегральную схему – двоичный триггер.

Однако соединения Килби выполнялись вручную золотыми «летающими» проводками, что делало процесс дорогим и ненадежным (одна схема стоила около 500 долларов – дороже лампового аналога). Формально Килби создал интегрированную схему, но не микросхему: его элементы были размером 0,1–1 мм («мезоуровень»). Настоящие ИС стали появляться только с переходом к микроуровню (1–100 мкм), а затем к наноуровню.

Килби был изобретателем, а не исследователем-физиком, и не решил ключевых задач, тем не менее его эксперимент продемонстрировал принцип универсальной интеграции. Главный практический прорыв сделали инженеры Fairchild Semiconductor.

• Жан Эрни предложил покрывать транзисторы диоксидом кремния, что привело к планарной технологии.

• Роберт Нойс применил ее для создания первой кремниевой монолитной схемы.

• Курт Леговец разработал изоляцию p—n-переходами, сделавшую массовое производство возможным.

Fairchild в 1960-е годы стала центром интегральной революции. Брюс Дил, Эндрю Гроув, Эд Сноу и их коллеги провели фундаментальные исследования взаимодействия кремния и диоксида кремния, которые легли в основу классического учебника Гроува Physics and Technology of Semiconductor Devices.

Патентные споры между TI и Fairchild длились много лет. Верховный суд США признал приоритет Fairchild. В 2000 году Килби получил половину Нобелевской премии «за вклад в изобретение интегральной схемы». Это решение носило компромиссный характер: к тому времени Нойс уже умер, а патентные войны остались в прошлом. Историк Бо Лоек отметил: «Идея Килби была настолько непрактична, что от нее отказались даже в TI. Его патент имел ценность лишь как объект торга».

Сегодня история IC рассматривается как результат коллективной работы множества изобретателей. Главное, что интегральная схема стала фундаментом современной микроэлектроники, а не продуктом одиночного гения.

Микропроцессоры

Почему мы все еще говорим «микропроцессор»?

Когда в 1970-х годах появились первые интегрированные процессоры, слово «микро» указывало на то, что весь управляющий функционал, который на тот момент занимал несколько компьютерных плат, а еще раньше одну или даже несколько стоек, теперь оказался собран на одной кристаллической подложке, которая, собственного говоря, называется чип. Этот чип заключают в корпус с внешними контактами, на первых в 70-х их было от 100 до 200, в наиболее мощных современных до 6000. Вот этот пирожок с начинкой-чипом и называется микропроцессором. Подчеркнем, чип – это только начинка. Но не только размер, еще префикс «микро» связывают с тем, что многие современные CPU работают под управлением специального уровня управления, его называют микроархитектурой. Этот уровень непременная часть одной из двух разновидностей архитектуры, именуемой CISC (complex instruction set computing или complex instruction set computer). Альтернативная версия – архитектура с жестко запрограммированными командами RISC (reduced instruction set computer), здесь команды обрабатываются напрямую аппаратном уровне, без промежуточного микрокода. В последние годы граница между CISC и RISC постепенно размывается.