Физические основы построения ЭВМ



Аннотация

В курсе рассмотрены основы теории электропроводимости металлов и полупроводников, элементы физики полупроводников и на этой основе под­робно рассмотрены принципы работы всех основных узлов современных ЭВМ.

Содержание курса

Введение. Поколения ЭВМ и их элементная база. Роль полупроводнико­вых (ПП) материалов в создании элементной базы современных ЭВМ. Пре­имущества СБИС перед дискретными компонентами. Технологическая база СБИС. Закон Мура. Степень интеграции элементов. Проблема воспроизводимости параметров элементов СБИС. Минимальный топологический раз­мер. Основные направления развития цифровых СБИС: кремниевые МОП структуры, кремниевые биполярные структуры, арсенид-галлиевые металл-полупроводниковые структуры. Перспективы развития микроэлектроники.
Основы теории электропроводимости металлов и полупроводников. Спектр электронных состояний в атомах, молекулах и кристаллах. Разрешенные и запрещенные уровни энергии. Энергетические зоны и уровень Ферми. Прин­ципы разделения веществ на проводники (металлы), полупроводники и изо­ляторы (диэлектрики). Модель электронного газа. Оценка числа уровней в единице объема проводника и полупроводника. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
Элементы физики полупроводников. Полупроводниковые диоды. Движение свободных носителей заряда в полупроводниках — диффузия и дрейф. Урав­нение непрерывности. Электронно-дырочные переходы и их характеристи­ки. Барьерная и диффузионная емкости. ПП диоды. Контакт металл-полу­проводник. Диоды Шоттки. Быстродействие ПП диодов.
Биполярные и полевые транзисторы. Взаимодействие двух близкорасполо­женных электронно-дырочных переходов. Биполярные транзисторы. Схемы включения. Ключевой режим работы и быстродействие биполярных транзи­сторов. Полевые транзисторы. МОП (МДП) структуры с изолированными каналами и их быстродействие. Многоэмитерные транзисторы.
Элементная база современных ЭВМ, системный блок. Аналоговая и циф­ровая обработка информации. Физическое представление информации в ЭВМ. Двоичный код. Реализация элементарных логических функций. Клю­чевой режим работы коммутирующего элемента. «Высокое» и «низкое» со­стояния логических схем. Позитивная и негативная логики. Основные харак­теристики логических элементов. Потребляемая мощность, время задержки распространения, энергия переключения, напряжение питания, коэффици­ент разветвления по выходу. Понятие о помехоустойчивости логического эле­мента. Семейства логических схем и их совместимость. Перспективные на­правления развития логической схемотехники.
Системный блок ЭВМ. Обобщенная структура системного блока: микро­процессор (МП), память, шина. Архитектура и внутренняя магистраль МП. Основные характеристики МП: технология изготовления, напряжение пита­ния, объем адресуемой памяти, разрядность шины данных, тактовая часто­та, количество и разрядность регистров. Цикл МП и его фазы. Взаимодей­ствие МП и ОЗУ. Способы обмена информацией между МП и внешними устройствами: синхронный, асинхронный и полусинхронный. Обмен данны­ми на магистрали МП. Мультиплексирование шин. Режимы работы ЭВМ: основной, прерывания, прямой доступ к памяти, ожидание. Мультипроцес­сорные конфигурации. Специализированные МП. Состояние и перспекти­вы развития МП техники.
Полупроводниковые запоминающие устройства. Триггер как элемент памя­ти. Ячейка памяти и ее адрес. Статическое оперативное запоминающее уст­ройство (СОЗУ). Структурная схема СОЗУ. Общая организация памяти. Ха­рактеристики памяти: стоимость, емкость, быстродействие, потребляемая мощность, возможность доступа. Энергозависимая и энергонезависимая память. Классификация ПП запоминающих устройств. Динамическое опера­тивное запоминающее устройство (ДОЗУ). Структура запоминающего эле­мента. Принцип действия и основные параметры. Характеристики и прин­ципы работы СБИС памяти динамического типа. Организация ДОЗУ. Мето­ды регенерации ДОЗУ. Контроль работоспособности ДОЗУ. Применение СОЗУ и ДОЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы разви­тия СОЗУ и ДОЗУ. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Масочные ПЗУ (МПЗУ). ПЗУ, программируемые пользователем (ППЗУ). Стираемые перепрограммируемые ПЗУ (СППЗУ). Элементы на основе структур с пла­вающим затвором. Стирание информации УФ излучением и электрическим полем. Применение ПЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспек­тивы совершенствования ПЗУ. Flash-память.
Интерфейсы ввода-вывода. Функции интерфейса ввода-вывода. Инфор­мационная, электрическая и конструктивная совместимость. Устройство ти личного интерфейса. Функциональная и управляющая части интерфейса. Внутренние регистры интерфейса ввода-вывода. Ошибки интерфейса. Кон­троль паритета. Ошибки переполнения. Интерфейс последовательной связи. Дуплексная и полудуплексная связи. Асинхронная и синхронная связь. Стан­дарты связи. Интерфейс RS232. Скорость передачи информации и электри­ческие параметры. Модем. Амплитудная и частотная модуляция. Передача данных через телефонные линии связи. МП ввода-вывода. Контроллер пря­мого доступа к памяти: общая организация и структура.
Внешняя память в ЭВМ. Магнетизм. Магнитные материалы: диамагнети-ки, парамагнетики, ферромагнетики. Кривая намагниченности ферромагне­тиков. Температура Кюри. Доменная структура. Принципы записи и считы­вания информации на магнитных носителях. Типы магнитных носителей и магнитных головок. Предельная плотность записи и скорость доступа к за­писанной информации. Использование оптических явлений для повышения плотности записи информации на магнитных носителях. Магнитооптика. Оптическая память. Предельная плотность записи информации в оптике. CD и DVD диски. Трехмерная оптическая память: фоторефрактивные и фото-хромные материалы.
Отображение информации в ЭВМ. Принципы отображения визуальной информации. Алфавитно-цифровые и графические (аналоговые) мониторы. Электронно-лучевая трубка. Физические процессы в ЭЛТ: термоэлектронная эмиссия, люминесценция. Формирование изображения в ЭЛТ, строчная и кадровая развертки. Структура и параметры видеосигнала. Отображение ин­формации о цвете. Плоские мониторы —жидкокристаллические (LCD) дис­плеи, плазменные (газоразрядные PDP) мониторы, дисплеи с излучающим полем (FED).
Связь ЭВМ с внешней средой. Ввод и вывод цифровой и аналоговой ин­формации. Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП). Погрешности ЦАП. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Погрешности АЦП. Понятие о цифровом методе хранения и передачи аналоговой информации. Ввод опти­ческого изображения в ЭВМ, приборы с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-камера (CCD). Принципы отображения информации на твердом носителе — принтеры и плоттеры. Алфавитно-цифровые и графические принтеры. Мат­ричные, струйные, лазерные и светодиодные принтеры. Цветная печать.
Линии связи между ЭВМ. Методы кодирования информации: амплитуд­ная, фазовая и частотная модуляция. Виды распределенных линий для раз­ных диапазонов частот. Двухпроводная линия и радиоканал. Телеграфное уравнение. Скорость распространения сигналов в линии. Волновое сопротив­ление. Согласование линии с нагрузкой. Коаксиальный кабель и витая пара. Оптические волокна и волоконно-оптические кабели. Распространение света по оптическим волокнам. Оптические моды, дисперсия мод, критическая длина волны. Градиентные волокна, волокна со ступенчатым профилем по­казателя преломления. Оптические передатчики и приемники: свето- и фо­тодиоды, полупроводниковые лазеры. Предельная скорость передачи инфор­мации. Оптические солитоны.
Перспективы ЭВМ. Квантовые компьютеры. Реализация устойчивых одно и многоэлектронных состояний в различных системах. Когерентность состо­яний. Предельные размеры, быстродействие и энергозатраты. Вычисления в классической и квантовой физике. Биты и кубиты. Квантовые алгоритмы. Области применения. Как построить квантовый компьютер: ионные ловуш­ки, ЯМР, поверхностные наноструктуры. Разрушение когерентности как ис­точник ошибок при квантовых вычислениях и их коррекция. Перспективы реализации квантовых компьютеров.

Литература

  • Капцов Л.Н. Физика элементов ЭВМ. Уч. пособие. Изд. Моск. ун-та. 1983.

  • Аваев Н.А. и др. Основы микроэлектроники. Уч. пособие. М.: Радио и связь. 1991.

  • Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М: Радио и связь. 1990.

  • Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника. М.: Радио и связь. 1989.

  • Тутов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат. 1990.

  • Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. М.: Радио и связь. 1987.

  • Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир. 1982.