Výroba počítače od křemíku po krabici

V době, kdy je ze všech stran zřetelně slyšet "počítače jsou na ústupu, nedá se na nich vydělat, dáváme je zadarm...


V době, kdy je ze všech stran zřetelně slyšet "počítače jsou na ústupu, nedá se
na nich vydělat, dáváme je zadarmo" apod., přinášíme článek o tom, jak vlastně
takové "písíčko" vzniká. Nebudeme se v něm nijak podrobně zabývat obecně
známými fakty, pozornost budeme věnovat spíše popisu méně známých skutečností z
několika oblastí. Říká vám něco třeba takový vertikální tranzistor nebo mesa?
Zamyslili jste se nad tím, k čemu vám bude AGP na motherboardu, jenž je vám
nucen prodejcem?
Výroba polovodičových součástek vychází v podstatě stále ze stejných principů,
jež nezávisejí na složitosti vyráběného obvodu. Ať už chceme vyrobit operační
zesilovač nebo nový procesor, máme k dispozici pouze malou množinu základních
součástek (dioda, tranzistor atp.) Výsledný AIP tak bude integrovaným obvodem o
různém stupni integrace. Jednotlivé obvody se potom sestaví do funkčních bloků
na desce tvořící základní stavební jednotku PC. Stavební jednotky se propojí
pomocí sběrnicových systémů, a PC je na světě. Jednotlivé funkční bloky (desky)
lze navíc během života počítače vyměňovat, a tak PC může růst spolu s
rostoucími požadavky jeho majitele.
Polovodičové materiály
Jak si asi většina z vás pamatuje z fyziky, jsou polovodiče elektricky vodivé
látky. Přenos elektrického proudu je v nich zprostředkován elektrony a dírami.
Příměsí donorů vniká polovodič typu N, příměsí akceptorů polovodič typu P.
Polovodiče se používají při výrobě mnohých elektronických prvků, jako např.
diod, tranzistorů, termorezistorů, tenzorezistorů, magnetorezistorů, varistorů,
triaků, Hallových generátorů a podobně. Nejčastěji používaným materiálem pro
výrobu polovodičů je křemík. Jeho hlavní předností je cenová dostupnost.
Největším konkurentem křemíku na poli polovodičů se stal arzenid gallia (GaAs).
Polovodičové součástky vyrobené z tohoto materiálu dosahují ve srovnání s
křemíkovými vyšších rychlostí a mohou být vystavovány extrémním podmínkám bez
újmy na funkčnosti. Lze je například nedestruktivně ohřívat až na 300 ?C nebo
do určité míry vystavovat působení radiace. Především kvůli těmto vlastnostem
se GaAs s výhodou používá v družicových systémech či vojenských aplikacích.
Vedle běžných polovodičů se ve speciálních případech používají polovodiče
keramické. Jedná se o oxidické materiály s defektní strukturou. Nejvíce
používané jsou oxidy niklu, manganu, mědi či železa. Z polovodičové keramiky se
vyrábějí především hrotové odpory, termistory, vysokoteplotní elektrody nebo
varistory (napěťově závislé odpory). Velice zajímavou skupinou (i z pohledu
blízké budoucnosti) polovodičů jsou elektricky vodivé polymery. Příkladem je
polyacetylen, u něhož lze vhodnými přísadami měnit elektrickou vodivost v
rozmezí 12 řádů od izolantu až po kovovou vodivost. Přísada sodíku nebo lithia
vede ke vzniku polovodiče typu N, příměs AsF5, bromu nebo jodu ke vzniku
polovodiče typu P.
K dopování polymerů za účelem zvýšení elektrické vodivosti se někdy používají
také superhalogeny (halogenidy s abnormálně vysokou afinitou k elektronu). Není
bez zajímavosti, že tyto látky byly použity také při vývoji organických
supravodičů a nacházejí uplatnění i v molekulární elektronice. Milovníky
uvádění sci-fi technologií do praxe musím ale trochu zklamat. Rozmach a masové
využití výsledků tohoto oboru se teprve očekává, a tak je praktických aplikací
dosud poskrovnu.
Technologie výroby polovodičových součástek
Základem polovodičových součástek je přechod PN. Existuje celá řada způsobů,
jak PN přechod vyrobit. Některé se dnes již prakticky nepoužívají. Mezi
nejběžnější metody výroby polovodičových součástek patří:
slitinová technika
difuzní technika
kombinace slitiny a difuze mesa
planární technika
Slitinová technika
Na germaniovou destičku (například typu N) se přiloží úlomek akceptoru tj.
látky, jejímž vlivem vzniká polovodič typu P. V tomto případě to bude indium.
Několik takových destiček se sendvičovým způsobem zkombinuje dohromady s
akceptory. Celek se umístí do pouzdra a vše se zahřeje na teplotu 630 ?C.
Vznikne tak přechod PN, jenž je základem tranzistoru, který se vyrobí umístěním
vrstvy P na destičku. Výsledkem je tranzistor typu PNP, jehož povrch se ještě
kvůli zlepšení parametrů čistí leptáním a omýváním.
Difuzní technika
Vpravování příměsí do krystalu a tím i vytváření přechodu PN se děje za velmi
vysokých teplot (700 až 800 ?C pro germanium a 1 000 až 1 350 ?C pro křemík).
Kombinací slitinové a difuzní techniky vznikají zejména tzv. driftové
tranzistory. V jejich bázi je vytvořen spád koncentrace příměsí stejného typu
vodivosti, jakou má základní materiál. Driftové tranzistory jsou vhodné zejména
pro vysoké frekvence (do 100 MHz).
Tranzistory mesa
Jejich název je odvozen od Stolové hory, kterou svojí stavbou připomínají (mesa
znamená ve španělštině stůl). Oblast báze N se vytváří difuzí na základní
destičku P, která tvoří kolektor. Z opačné strany se napařuje proužek materiálu
s vodivostí typu P, který se fotochemickou cestou rozdělí na dvě části, a
vznikne tak emitor a elektroda báze.
Planární technika
Povrch součástky je již před výrobou pokryt tenkou ochrannou vrstvou tvořenou
oxidem křemíku. Výsledný výrobek proto není potřeba čistit leptáním a mytím.
Zároveň je však dosažena vysoká čistota materiálu, a tak jsou planární
součástky provozně stabilnější a spolehlivější v porovnání s výše uvedenými
technikami.
Dalším vylepšením procesu výroby polovodičových struktur je epitaxe. Tímto
termínem se označuje nárůst tenkých vrstev polovodiče na monokrystalu
polovodiče se stejnou krystalovou orientací. Tenká vrstva vzniká chemickým
vylučováním polovodičového prvku. Epitaxe se používá v mesa tranzistorech a v
planární technice.
Vertikální tranzistor
V Bellových laboratořích byl vyvinut nový druh tranzistoru. Jeho velikost
dosahuje úctyhodně titěrných rozměrů 50 nanometrů. Pro srovnání: typická
velikost tranzistoru dosud běžně používaného je 180 nanometrů, tedy více než
třikrát větší. Před deseti lety se dokonce pohybovala tloušťka pouhé báze
tranzistoru vyrobeného slitinovou technikou okolo 20 až 50 mikrometrů (dnes je
tento rozměr tisíckrát menší).
Rozdíly vertikálního tranzistoru oproti klasickému však nejsou pouze ve
velikosti. Všechny komponenty tranzistoru jsou umístěny ve svrchní části
křemíkové vrstvy. Proud tedy teče na rozdíl od klasického tranzistoru
vertikálně. Dále se obě polovodičové součástky liší počtem hradel. Zatímco v
běžném tranzistoru se pochopitelně nachází pouze jedno, ve vertikálním jsou
dvě. Konstruktéři tohoto podivuhodného zařízení tvrdí, že rychlost čipu
osazeného tímto typem tranzistoru tak téměř dvojnásobně narůstá. Dosavadní
technologie výroby tranzistorů již narážely na limity dané vysokými teplotami
zpracování. Tato překážka je nyní rovněž odstraněna.
Jack Hergenrother, který se podílel na vzniku vertikálního tranzistoru,
vysvětluje jeho základní myšlenku takto: "Představte si, že máte k dispozici
plechovku barvy a tlustý štětec. Vaším úkolem je nakreslit co nejtenčí čáru.
Většina lidí začne ihned patlat, někteří možná otrhají štětec. My jsme na to
šli jinak. Nejdříve jsme nakreslili čáru tak, jak vyšla. Potom jsme vzali papír
a přetrhli ho uprostřed čáry. Otočili jsme papír o 90 ? a nejtenčí čáru
stanovili jako tloušťku nanesené vrstvy barvy."
V průběhu nejbližších deseti let by měl být, podle oficiálních vyjádření
Bellových laboratoří, klasický tranzistor nahrazen vertikálním. Hovoří se také
o tom, že velikost 50 nanometrů bude brzy možno snížit na 30 nanometrů. Inu, v
laboratoři lze dosáhnout lecjakých výsledků, zda ale bude objev i prakticky
využit, ukáže až blízká budoucnost.
Čipy
Nyní tedy víme, jak na velmi malé ploše vytvořit mnoho tranzistorů základních
stavebních prvků každého počítače. U pamětí je situace relativně snadná díky
tomu, že paměť je složena ze stejných buněk. Ale co třeba takový procesor,
jehož jednotlivé části nemohou být spojeny přímo ve struktuře polovodiče
(protože funkce jedné části je nezaměnitelná s jinou)? V našem makrosvětě
zkrátka vezmeme tranzistor, kus drátu a diodu a vzájemně je k sobě připájíme.
Jak ale připájet součástky, jejichž velikosti se pohybují v řádech nanometrů,
maximálně mikrometrů? Jednou z používaných metod je vypalování vodivých cest
pomocí laseru. Princip se podobá leptání, jak jej známe u tištěných spojů.
Protože pamětem, procesorům a periferiím se dosti podrobně věnovaly jiné
články, jež vyšly na stránkách Computerworldu, dovolím si je poněkud opominout.
Namísto nich se zmíním o zařízení, které sice není tak sofistikované, nicméně
jeho funkce je v mnoha elektronických aplikacích nezastupitelná.
Watch-dog (hlídací pes)
Toto zařízení se používá jako bezpečnostní prvek elektronických systémů.
Většinou bývá integrováno přímo na obvodu, jehož činnost monitoruje. Hlavní
částí je tzv. čítač. Pokud na vstup čítače přijde určitý signál, čítač se
vynuluje. Čítač vždy po určitém časovém okamžiku zvýší svoji hodnotu o
jedničku. Pokud nepřijde do určité doby na vstup očekávaný signál, čítač
přeteče a na výstup se dostane jiný signál, který může iniciovat specifickou
činnost v hlídaném zařízení.
Je-li hlídaným zařízením např. mikroprocesor, je jeho povinností ozvat se do
předem definované doby. Pokud tak neučiní, s velkou pravděpodobností
"zabloudil" někde ve svém řídicím programu, a bude vyresetován.
Sběrnice
Sběrnice neboli spojovací systémy se rozdělují na sériové a paralelní.
Paralelní sběrnice se dále člení na synchronní a asynchronní. Okamžiky předání
informace u asynchronní sběrnice jsou určeny vyhrazenými signály, zatímco
předávání informace u synchronní sběrnice se děje v závislosti na taktu hodin.
Sběrnicová zařízení se třídí na přístroje typu master (schopen řídit sběrnici)
a slave (neschopen řídit sběrnici).
U paralelních sběrnic vedou ke každému zařízení od řadiče dva dráty. Na jednom
z nich zařízení žádá o přidělení sběrnice, na druhém je mu řadičem odpovězeno,
zda mu byla sběrnice přidělena. Navíc je ke všem zařízením přiveden společný
drát, po němž se posílá informace o obsazenosti sběrnice. Nevýhodou paralelního
uspořádání je omezený počet přípojných zařízení. Výhody spočívají ve větší
rychlosti spojovacího systému oproti uspořádání sériovému a možnosti dynamické
změny priorit jednotlivých připojených zařízení. Jako příklad paralelní
sběrnice uveďme známou SCSI.
U sériové sběrnice principiálně stačí k řízení tři dráty pro všechna zařízení
dohromady. Na jednom se nachází stavová informace (podobně jako u paralelní
sběrnice), po druhém posílají jednotlivá zařízení své žádosti o přidělení
sběrnice. Třetí vede z řadiče do prvního zařízení, odtud do druhého atd. Je-li
sběrnice volná a vznikne požadavek na její přidělení, pošle řadič informaci o
možnosti obsazení prvnímu zařízení. Pokud toto zařízení nechce sběrnici
obsadit, předá informaci druhému zařízení, to dalšímu a mohli bychom pokračovat
dále. Čtenář už patrně odhalil, že priorita je u sériového spojovacího systému
určena staticky. Výhodou oproti paralelní sběrnici je menší počet drátů
potřebných k provozu a větší množství připojitelných zařízení. Kvantum
připojených zařízení je omezeno pouze fyzikálními vlastnostmi systému (např.
délka odezvy a podobně). K sériovým sběrnicím patří IIC, Microwire, SPI, USB.
Motherboard
Základní deska počítače spojuje hromádku neškodného železa v účinný nástroj
nebo nebezpečnou zbraň. Návrh základní desky bývá spolu s návrhem procesoru
klíčovým počinem na cestě k úspěchu nebo neúspěchu celého počítače.
Podoba základní desky sice doznává s časem značných změn, některé její části si
však zachovávají svou funkčnost a vzhled již několik let. Mezi stabilnější
komponenty motherboardu patří CMOS statická RAM s BIOSem. Verze BIOSu se
pochopitelně mění, avšak CMOS SRAM zůstává bez jakýchkoliv revolučních změn. Ke
standardní výbavě každého motherboardu patří také hodiny reálného času a
baterie, která udržuje nastavení BIOSu, hodiny, popř. i budík. Tradičně se zde
nachází I/O řadič pro sériové a paralelní porty, řadič disketových mechanik,
rozhraní pro myš a klávesnici, posledních několik let i podpora infračervené
komunikace.
Pochopitelně zde najdeme sloty pro procesor(y) a paměť. Některé desky mohou
podporovat i cache druhé úrovně. Nechybějí také DMA kanály a přerušovací
subsystém, který slouží k obsluze asynchronních událostí. Řadiče IDE, ISA a PCI
také asi nikoho nepřekvapí.
Novější systémy jsou vybaveny APM (Advanced Power Management) a podporou AGP a
USB v podobě řadičů a akcelerátorů. Často bývá motherboard plug-and-play nebo
(zejména u starších desek) je nutno nejprve správně nastavit přepínače
(jumpery). U novějších desek může být zachována možnost nastavení přepínačů
společně s technologií plug-and-play. Kromě základního módu zvládnou některé
desky i poněkud exotické funkce, mezi něž patří např. automatické nahrání
obsahu BIOSu na disketu při určitém stavu přepínačů. Někteří výrobci dokonce na
základní desku integrují zvukové či grafické karty a akcelerátory, síťové karty
a jiné (původně periferní) obvody.
AGP versus PCI
Některé základní desky nemají AGP sběrnici. Jsou takové desky zastaralé?
Odpověď na tuto otázku není tak jednoznačná, jak by se na první pohled mohlo
zdát.
Prohlédnete-li si zběžně údaje v tabulce, napadne vás jistě, že použití AGP
sběrnice je velmi výhodné. Poněkud zarážející je však fakt, že AGP v podstatě
pozměňuje původní smysl, s nímž jsou obvykle spojovací systémy vázány. A sice:
vzájemně spojovat co nejvíce zařízení. AGP má oproti PCI sice výrazně vyšší
přenosovou rychlost, ta se však uplatní pouze při práci s náročnými grafickými
operacemi. Pokud tedy používáte PC jako grafickou stanici, pak jistě AGP
využijete. Jestliže ale na vašem počítači běží například převážně databázové
aplikace, přítomnost AGP vám moc nepomůže a vy jste vynaložili zbytečné
množství peněz.
Sestavení počítače
Na rozdíl od jiných platforem počítačů je PC vlastně jakási stavebnice.
"Výrobcem" PC se tak může stát prakticky každý člověk, který nepostrádá alespoň
elementární technický smysl. Následuje několik doporučení pro ty z vás, kteří
se chtějí stát alespoň amatérskými konstruktéry PC:
Získejte co nejvíce informací
Nejprve se ubezpečte, že stavbou PC něco získáte. Přijít do obchodu s výpočetní
technikou a počítač si objednat je totiž mnohem jednodušší než ho stavět na
koleně. Na druhou stranu můžete ušetřit nějakou tu stokorunu až tisícikorunu,
koupíte-li vhodné komponenty a dáte je dohromady sami. Zajímejte se nejenom o
technickou stránku věci, ale i o finanční.
Pokud najdete ve svém okolí někoho, kdo si váš počítač bude ochoten odepsat z
daní nebo vám nakoupí součástky ve velkoskladu, můžete dost ušetřit. Pokuste se
najít někoho ve vašem okolí, kdo už PC stavěl a může vám poradit. Přečtěte si
nějakou literaturu o PC. Knihy, časopisy, webové prezentace... Hledejte testy
výkonnosti (benchmarks).
Nakupte jednotlivé součástky
Máte-li už počítač doma a chcete jej jen přestavět, zvažte dobře, které části
už morálně zastaraly a které se dosud dají použít. U monitorů zvažte velikost
úhlopříčky a nechejte si jej předvést. V podstatě každý monitor mívá nějakou tu
chybičku.
Zjistíte-li, že vám zrovna zkoušený nevyhovuje, klidně ho zavrhněte, i když se
vám bude prodejce snažit namluvit něco jiného. Totéž platí pro reproduktory.
Zatím jen málo firem v ČR poskytuje plnou záruku vrácení peněz při
nespokojenosti zákazníka s výrobkem. Pokud nemá výrobek nějakou vadu, nemusí
vám jej prodejce vyměnit. A vada, toť široký pojem...
U modemů zjistěte, zda se jedná o winmodem. Winmodemy fungují pouze pod
Windows. U tiskáren kalkulujte nejen pořizovací, ale i provozní náklady (cena
inkoustu, toneru...) Učiňte rozhodnutí o sběrnicích. Paralelní port či USB nebo
dokonce FireWire? Zvolte správný motherboard. Některé procesory (např. Athlon)
fungují pouze na některých motherboardech. Některé základní desky nemají AGP
sběrnici. Najděte optimální velikost hlavní skříně. Čím menší, tím levnější,
ale zároveň horší z hlediska množství volných slotů a manipulačních možností.
Rozhodněte se pro SCSI nebo IDE. Dále pokračujte s grafickou, zvukovou a
síťovou kartou, vhodným typem procesoru, paměti...
Sestavte vše dohromady
Vlastní sestavení není tak těžké, jak by se na první pohled zdálo. Většinu
konektorů lze totiž umístit pouze správným způsobem, protože na sobě mají
bezpečnostní výstupek. Tak s chutí do díla!
Vlastnosti sběrnic AGP a PCI
AGP PCI
Podpora pipeline ano ne
Maximální přenosová rychlost533 MB/s 133 MB/s
Způsob administrac single-master multi-master
Zápis/čtení pouze paměť celý systém
Prioritní fronty ano ne
9 3395 / ija









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.