Polovodičová technologie používaná u mainframů (II)

Obsah

1. Nejvýznamnější mezníky ve vývoji polovodičové technologie

2. Vývoj tranzistorů řízených polem (MOSFET)

3. Technologie CMOS

4. Komerční úspěch dynamických pamětí DRAM

5. Konstrukce paměti DRAM s jednotranzis­torovými buňkami

6. Vývoj nevolatilních pamětí EPROM

7. Princip činnosti paměťové buňky EPROM

8. Zápis bitu do paměťové buňky

9. Odkazy na Internetu

1. Nejvýznamnější mezníky ve vývoji polovodičové technologie

V předchozí části seriálu o historii vývoje výpočetní techniky jsme se seznámili s tím, jakým způsobem vznikly první polovodičové součástky, kterými byly kuproxidové a selénové usměrňovače, jež však byly poměrně neefektivní, ať již z hlediska relativně velkého proudu tekoucího v závěrném směru, tak i maximální zatížitelností (přepočtenou na plochu usměrňovače). Taktéž jsme si řekli, jak byl vývoj nejenom výpočetní techniky ovlivněn vznikem polovodičového bipolárního tranzistoru. Éra použití tranzistorů (myšleny jsou zde diskrétní elektronické součástky) jako základních prvků logických obvodů v počítači však trvala přibližně pouze deset let, tj. zhruba stejně dlouho jako éra elektronek. Posléze byly diskrétní elektronické součástky v počítačích postupně nahrazovány integrovanými obvody, a to jak čipy obsahujícími bipolární tranzistory, tak – a to především – čipy unipolárními. Některé nejdůležitější technologie, především paměťové čipy typu DRAM a na druhé straně paměti typu EPROM, si popíšeme v následujících kapitolách.

Obrázek 1: Předchůdce polovodičové techniky. Na tomto obrázku je vyfocen obvod, kterým jsou implementovány čtyři bity akumulátoru elektronkového počítače vytvořené pomocí osmi triod a dalších (pasivních) součástek. Na fotografii můžeme vidět pouze čtyři elektronky, protože každá baňka obsahovala dvojici triod a tím pádem i základ klopného obvodu.

Pro základní orientaci jsou v následující tabulce vypsána data vzniku některých důležitých typů polovodičových prvků:

Obrázek 2: Replika prvního tranzistoru vytvořeného týmem vedeným Williamem Shockleym v Bellových laboratořích.

2. Vývoj tranzistorů řízených polem (MOSFET)

Z historického hlediska patří mezi nejstarší tranzistory, které byly zkonstruovány a následně i komerčně vyráběny, tranzistory bipolární založené původně na germaniu; teprve o několik let později se začaly vyrábět i tranzistory křemíkové. Jedná se o polovodičové součástky se třemi vrstvami s různou koncentrací donorů a akceptorů, mezi nimiž se vytváří dva přechody PN. Podle toho, jak jsou tyto tři vrstvy uspořádány, se bipolární tranzistory dělí na typ NPN (s přechody NP a PN) a PNP (s přechody PN a NP). U bipolárních elektronických součástek se využívá jak elektronové, tak i děrové vodivosti, ovšem již poměrně brzy po vzniku bipolárních usměrňovačů (a před konstrukcí prvního bipolárního tranzistoru) vznikla teorie polovodičových součástek, u nichž se využívala buď pouze elektronová vodivost nebo naopak pouze vodivost děrová. Tyto unipolární součástky využívají pro svou činnost elektrického pole vytvářejícího v polovodiči vodivý kanál (popř. při opačné polaritě toto elektrické pole naopak vodivý kanál uzavírá).

Obrázek 3: Struktura tranzistoru MOSFET.

Díky tomu, že je řídicí elektroda G (obdoba báze u bipolárních tranzistorů nebo ještě lépe mřížky u elektronek) izolovaná od vodivého kanálu, je odpor tranzistoru mezi elektrodami source a drain řízen pouze napětím na řídicí elektrodě, nikoli proudem procházejícím řídicí elektrodou, což je poměrně podstatný rozdíl oproti tranzistorům bipolárním. Unipolární tranzistory se staly mezi výrobci čipů velmi populární a to především po vynálezu technologie MOS (Metal–Oxide– Semiconductor), která je založena na vytváření polovodičových prvků, zejména tranzistorů a taktéž tranzistorů pracujících ve funkci rezistorů, na společném křemíkovém substrátu. Na tomto substrátu je planárním procesem vytvořena na vhodných místech izolační vrstva z SiO₂ a konečně se na tuto strukturu nanáší elektrody vytvořené buď z kovu, popřípadě z polykrystalického křemíku. Právě díky planární technologii navržené v roce 1960 Jeanem Hoernim ze společnosti Fairchild Semiconductor byla umožněna relativně levná výroba čipů se střední mírou integrace a později i čipů LSI a VLSI (včetně paměťových čipů a mikroprocesorů).

Obrázek 4: Paměťový čip Intel 1101. Jedná se o paměť typu SRAM.

3. Technologie CMOS

Poměrně významnou událostí v oblasti vývoje polovodičových součástek se stala konstrukce integrovaného obvodu CMOS v roce 1963. Vynálezcem tohoto typu integrovaného obvodu byl Frank Wanlass ze společnosti Fairchild Semiconductor. Frank Wanlass si uvědomil, že pokud se při konstrukci logického hradla (NOR, NAND atd.) spojí dva unipolární tranzistory, z nichž jeden bude typu PMOS a druhý typu NMOS, bude výsledným obvodem protékat pouze velmi malý elektrický proud a navíc nebude nutné, aby některý z tranzistorů suploval rezistor (v obvodech složených pouze z tranzistorů PMOS nebo NMOS se většinou rezistory implementovaly právě pomocí tranzistorů s konstantním napětím přivedeným na řídicí elektrodu – zjednodušila se tak konstrukce čipu). V obvodech CMOS totiž protéká elektrický proud pouze při změně logických úrovní. Frank Wanlass se tuto ideu nejprve pokoušel realizovat přímo na monolitickém čipu, ale zpočátku neuspěl a tak byl první obvod CMOS na světě nakonec vytvořen z diskrétních elektronických součástek – i tak však byla proudová spotřeba (a tím pádem i vyzářené teplo) jím vytvořeného zapojení až o šest řádů nižší, než ekvivalentní zapojení s tranzistory NMOS nebo dokonce bipolárními tranzistory. Cesta k integrovaným obvodům s nízkou spotřebou a především mnohem menší potřebou chlazení byla otevřena…

Obrázek 5: Jednobitová paměťová buňka statické paměti (SRAM) sestavená z šesti tranzistorů typu NMOS a PMOS.

Podobně jako se procesory sestavené z diskrétních součástek začaly již počátkem sedmdesátých let minulého století integrovat do jednoho čipu (mikroprocesoru), probíhal velmi podobný vývoj i s operačními paměťmi, dokonce snad ještě ve vyšší míře, protože na pravidelné struktuře paměťové matice bylo možné dosáhnout ještě větší integrace než u logické sítě a sběrnic mikroprocesorů. Původní operační paměti sestavené z feritových jader a později též z tranzistorů začaly být nahrazovány paměťovými čipy, především právě obvody typu CMOS. Výsledkem jsou statické paměti (SRAM). Slovem statické je myšleno to, že jednou zapsaný bit je v paměťové buňce držen po libovolně dlouhou dobu (pokud se samozřejmě nepřeruší napájení – jedná se paměť volatilní) a nepřímo také to, že čtení nebývá destruktivní, tj. přečtením hodnoty bitu se obsah paměťové buňky neztrácí. Za tuto vlastnost se však platí nutností použití až šesti tranzistorů pro jednu paměťovou buňku a tím pádem i vyšší cenou za jeden bit a současně i větší plochou, která se na čipu musí pro onen bit obětovat. Naproti tomu dynamické paměti (DRAM, viz též další text) mají paměťové buňky sice jednodušší (většinou pouze jeden tranzistor + integrovaný kondenzátor), ovšem náboj v kondenzátoru je nutné obnovovat a čtení bitu je obecně destruktivní, což s sebou přináší nutnost implementovat v paměťovém čipu obnovovací obvody.

Obrázek 6: Mikroskopický snímek statické paměti s označením 2102 firmy Intel. Na pravém okraji je patrná logika výběru řádků, uprostřed rozdělení matice na dvě části o stejné kapacitě (tato část obsahuje logiku pro výběr sloupců a taktéž diferenční zesilovače).

4. Komerční úspěch dynamických pamětí DRAM

Kromě statických pamětí SRAM, které byly většinou založeny na výše zmíněné technologii CMOS, se návrháři čipů pokoušeli o vývoj paměťových buněk, v nichž by bylo použito menší množství tranzistorů, což by vedlo jak ke zlevnění paměti (při přepočtu ceny na jeden bit), tak i ke zvýšení hustoty záznamu. Jednodušší struktura paměťové buňky byla v roce 1966 skutečně nalezena – jednalo se (resp. doposud se jedná) a buňku tvořenou jediným tranzistorem a kondenzátorem. Ovšem i s funkčním prototypem této paměťové buňky se muselo čekat ještě celé čtyři roky na to, aby celá technologie dozrála do komerční podoby. V roce 1970 firma Intel začala nabízel integrovaný obvod nesoucí označení Intel 1103, na němž byla implementována dynamická paměť DRAM s kapacitou 1024×1 bit (počet adresových vodičů byl tak malý, že se nemuselo provádět multiplexování adresy ani při použití pouzdra s pouhými 18 vývody.

Obrázek 7: Zhruba takto může vypadat paměťová buňka při jejím vytvoření (napaření) na waferu (základu čipu)

I přes poměrně malou kapacitu byl tento čip z historického pohledu velmi důležitý, protože výrobci mainframů a minipočítačů jím začali postupně nahrazovat až do té doby intenzivně používané paměti s feritovými jádry. Díky dalšímu vývoji technologie DRAM se podařilo jak zjednodušit napájení paměťového čipu (již se nemusí například přivádět samostatné předpětí na substrát), tak i zvyšovat paměťovou kapacitu, snižovat dobu přístupu k datům a naopak vylepšovat izolační schopnosti struktury okolo kondenzátoru takovým způsobem, že je náboj v paměťové buňce udržen po zhruba konstantní dobu, a to i přesto, že velikost a kapacita kondenzátoru se neustále zmenšuje.

Obrázek 8: Technologický vývoj dynamických pamětí. Plocha jedné buňky, plocha celého čipu a kapacita „kondenzátorů“ představujících jednotlivé bity.

5. Konstrukce paměti DRAM s jednotranzis­torovými buňkami

Na následujícím obrázku je zobrazeno principiální schéma bloku (mřížky) jednobitových paměťových buněk dynamické paměti DRAM. Ze schématu je patrné, že každá paměťová buňka je vytvořena z jednoho tranzistoru (většinou MOSFET s kanálem typu N) a kondenzátoru. Po přivedení logické jedničky na jeden z řádkových vodičů se všechny příslušné tranzistory v řádku matice otevřou a je možné zapisovat do paměťových buněk informace (nabíjet kondenzátory), popř. informace z buněk číst. Při čtení se kondenzátory vybijí tak, že se jejich náboj přenese do latchů (záchytných registrů tvořených většinou taktéž kondenzátorem a zesilovačem) – čtení je tedy destruktivní operací. Vzhledem k tomu, že kapacita tohoto kondenzátoru je velmi malá a okolní prostředí není zcela nevodivé, dochází k samovolnému vybíjení kondenzátorů a tím i k postupnému přechodu z úrovně logické jedničky (pokud je bit nastavený na jedničku) do úrovně nuly, tj. k „zapomínání“ zapsané informace. Z tohoto důvodu je nutné, aby byly údaje zapsané v dynamické paměti neustále obnovovány. Obnova se provádí tak, že se naráz přečtou hodnoty všech paměťových buněk umístěných v jednom řádků a následně se tyto hodnoty zapíšou zpět.

Obrázek 9: Blok paměťových buněk v dynamické paměti DRAM spolu s adresními a datovými vodiči.

O obnovu dat (tj. nábojů v kondenzátorech) se postarají obvody umístěné na čipu spolu s mřížkou paměťových buněk. Mikroprocesor či samostatný obnovovací (refreshovací) obvod musí udělat jedinou věc – vydat příkaz pro přečtení jedné adresy, která se nachází na paměťovém řádku, který se má obnovit (refresh), což je vlastně čtení naprázdno. V některých případech je obnova prováděna přirozeným způsobem (například se může jednat o grafické karty, ve kterých se postupně čte obsah obrazové paměti přenášený na displej), většinou je však obnova vynucená a poněkud zpomaluje přístup k dynamické paměti, což je jeden z důvodů vedoucích ke kombinaci dynamických pamětí s vyrovnávacími (cache) paměťmi. Postupné vybíjení jednotlivých kondenzátorů může být urychleno nárazem částice alfa (měkké záření) nebo i jiného typu částice, které způsobí ionizaci izolační vrstvy a náboj se tak vybije do substrátu čipu. To je příčinnou tzv. měkkých chyb (soft error), tj. chyb, které sice nezničí součástku, ale poškodí data uložená v DRAM. SRAM tímto problémem netrpí, u nich se měkká chyba projeví až po přijetí mnohem vyšší dávky záření.

Obrázek 10: Kolorizované mikroskopické snímky testovacích vzorků pamětí firmy Intel. Z hodnot uvedených pod jednotlivými snímky je patrná zejména postupně se zmenšující plocha jedné paměťové buňky, zvyšující se rychlost čtení/zápisu a v neposlední řadě taktéž rostoucí složitost celého čipu – u poslední paměti je matice rozdělena do čtyř bloků, přičemž každý blok obsahuje vlastní logiku pro výběr řádků a sloupců

6. Vývoj nevolatilních pamětí EPROM

Kromě statických a dynamických volatilních pamětí, jimiž jsme se zabývali v předchozích kapitolách, byla technologie unipolárních čipů s tranzistory MOSFET obohacena o další důležitý typ paměti. Jedná se o nevolatilní paměť typu EPROM. Označení „nevolatilní“ znamená, že paměť si udrží zapsané bity i po odpojení napájecího napětí. Do pamětí typu EPROM lze zapisovat hodnoty jednotlivých bitů (přesněji řečeno je možné nulovat vybrané jedničkové bity), ovšem opačná operace se musí provést vymazáním celé paměti, které se však neprovádí elektronicky, ale s využitím ultrafialového záření (ideálně studeného), kterým se ozáří plocha čipu umístěná pod pro tyto čipy typickým okénkem.

Obrázek 11: Paměťový čip EPROM s typickým okénkem pro mazání zapsaných dat pomocí ultrafialového záření.

Tento typ paměťových čipů našel svoje uplatnění v mnoha oblastech výpočetní techniky i komerční elektroniky, mj. taktéž v mikropočítačích a později v mikrořadičích, jejichž paměť programu byla mnohdy implementována právě pomocí technologie EPROM (mnohdy to nebylo na první pohled patrné, protože některé EPROM byly umístěny do pouzdra bez okénka, takže jejich mazání bylo poněkud složitější). Základní princip této paměti – plovoucí hradlo popsané v další kapitole – je používán dodnes v pamětech typu EEPROM (elektronicky mazatelné paměti) a posléze i u pamětí typu Flash, u nichž je možné údaje mazat po větších blocích a nikoli jednotlivých bitech (na druhou stranu je však zápis dat mnohem rychlejší, takže se tato technologie může uplatňovat i při konstrukci SSD).

Obrázek 12: Paměť typu EPROM byla použita i v některých osmibitových mikrořadičích, zde například v mikrořadiči PIC.

7. Princip činnosti paměťové buňky EPROM

Pojďme si nyní stručně říct, jakým způsobem vlastně paměť EPROM pracuje, tj. jak jsou v ní reprezentovány jednotlivé bity, protože právě v těchto typech pamětí se ukázaly přednosti planární unipolární technologie. Součástí paměťové buňky EPROM je tranzistor typu MOSFET, jehož konstrukce se ovšem od běžného tranzistoru tohoto typu poněkud odlišuje. Pod řídicí elektrodou či taktéž řídicím hradlem (control gate) je totiž umístěna ještě jedna takzvaná „plovoucí“ elektroda (floating gate, která je od ostatních částí tranzistoru oddělena izolantem, většinou oxidem křemičitým SiO₂. V případě, že tato paměťová buňka není naprogramována, neliší se její chování od běžného tranzistoru typu MOSFET s vodivým kanálem, protože přidaná plovoucí elektroda je izolovaná a ovlivňuje činnost tranzistoru jen minimálně (tranzistor je tedy otevřený i v případě, že je na řídicí elektrodu přivedeno nulové napětí). Ovšem funkci této konstrukce tranzistoru je možné změnit takovým způsobem, že se na plovoucí elektrodu nějakým způsobem přivede záporný náboj (elektrony). To lze kupodivu provést i v tom případě, že je plovoucí elektroda, jak již víme z předchozího textu, od svého okolí izolována – k této zdánlivě nemožné funkci se využívá kvantového jevu tunelování.

Obrázek 13: Principiální rozdíl mezi běžným tranzistorem MOSFET a paměťovou buňkou používanou v paměti EPROM.

8. Zápis bitu do paměťové buňky

Náboj se na plovoucí elektrodě vytvoří přivedením dostatečně velkého kladného napětí na elektrodu drain (D), což způsobí, že proud elektronů procházející od elektrody source k drain, získá takovou energii, že jednotlivé „horké“ elektrony mohou přeskočit (protunelovat) do izolované plovoucí elektrody a zvýšit tak zde uložený elektrický náboj. Elektrony jsou při svém přeskoku přitahovány nebo naopak odpuzovány napětím přivedeným na řídicí elektrodu, čímž se vlastně určuje, které paměťové buňky mají být naprogramovány na úroveň logické nuly a které na úroveň logické jedničky (v nenaprogra­movaném stavu mají všechny buňky paměti EPROM hodnotu 1). Tranzistor MOSFET se díky zápornému náboji na plovoucí elektrodě začne chovat jako tranzistor s uzavřeným kanálem, tj. v případě nulového napětí na řídicí elektrodě nevede proud (úroveň logické nuly). Důležité je, že tento stav tranzistoru – tj. náboj na izolované plovoucí elektrodě – je možné udržet i po dobu několika let nebo dokonce několika desítek let (například cartridge do osmibitových počítačů mě stále fungují aniž by musely být paměti přeprogramovány).

Obrázek 14: Zápis bitu do paměťové buňky DRAM a mazání celého čipu pomocí ultrafialového záření.

Pokud je zapotřebí paměťovou buňku vymazat, tj. odstranit elektrický náboj z plovoucí elektrody, musí se ve skutečnosti vymazat celý paměťový čip jeho ozářením ultrafialovým zářením, které (bez použití napětí) dodá elektronům v plovoucí elektrodě takovou energii, že se náboj rozptýlí do okolních struktur čipu (což je jeden z důvodů, proč je počet cyklů vymazání–zápis omezen, protože rozptýlené elektrony postupně čip degradují).

Obrázek 15: Prototyp československého osmibitového mikropočítače PMD 85 po odstranění vrchního krytu. V zadní části můžeme vidět paměťové čipy EPROM s monitorem a interpretrem jazyka Basic.

9. Odkazy na Internetu

1. The Transistor Museum
   http://semicon­ductormuseum.com/Mu­seum_Index.htm
2. What is a Microchip?
   http://inventor­s.about.com/od/com­putersandinter­net/a/microchip­.htm
3. Early Transistor History at Bell Labs
   http://www.se­miconductormu­seum.com/Tran­sistors/BellLab­s/OralHistori­es/Coonce/Coon­ce_Index.htm
4. Polovodič (Wikipedie CZ)
   http://cs.wiki­pedia.org/wiki/Po­lovodič
5. Hrotová dioda
   http://z-moravec.net/ex­t_el/diod/hrot­.php
6. List of transistorized computers (Wikipedia EN)
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/Lis­t_of_transisto­rized_computers
7. Mainframe – Introduction
   http://www.thoc­p.net/hardware/ma­inframe.htm
8. Mainframe computer (Wikipedia EN)
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/Ma­inframe_compu­ter
9. J. Presper Eckert (Wikipedia EN)
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/J­._Presper_Eckert
10. BINAC (Wikipedia EN)
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/BI­NAC
11. Ancient Computing Machinery
    http://www.ee­.ryerson.ca/~el­f/ancient-comp/index.html
12. Setun (Wikipedia EN)
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Se­tun
13. Nikolay Brusentsov – the Creator of the Trinary Computer
    http://www.ic­fcst.kiev.ua/mu­seum/Brusentsov­.html
14. Development of ternary computers at Moscow State University
    http://www.com­puter-museum.ru/english/se­tun.htm
15. Online Emulation of Soviet Ternary Computer Setun
    http://en.tri­nary.ru/projec­ts/setunws/
16. The Transistor in a Century of Electronics
    http://nobelpri­ze.org/educati­onal/physics/tran­sistor/history/
17. THE ACE, THE ‚BRITISH NATIONAL COMPUTER‘
    http://ed-thelen.org/comp-hist/EarlyBritish-05–12.html
18. Integrated Circuits History: 1950s
    http://www.ic­knowledge.com/his­tory/1950s.html
19. Integrated Circuits History: 1960s
    http://www.ic­knowledge.com/his­tory/1960s.html
20. Integrated Circuits History: 1970s
    http://www.ic­knowledge.com/his­tory/1970s.html
21. MOSFET tranzistory – struktury, funkce, charakteristiky
    http://www.el­web.cz/clanky­.php?clanek=94
22. Planar Process
    http://en.wiki­pedia.org/ wiki/Planar_pro­cess