В микромире чипов

В микромире чипов

 

 

Материала, из которого сделаны компьютеры, — кремния, — действительно «как песка в море». В виде соединения с кислородом он содержится в песке. Однако, перед тем как использовать кремний для создания компьютерных чипов, его нужно максимально очистить — на миллиард атомов кремния может приходиться всего один-единственный посторонний атом! Из такого суперчистого кремния вырезаются тонкие, как лезвие бритвы, пластины диаметром примерно 25 сантиметров, так называемые «вафли» (от англ. wafer).
Если рассмотреть микропроцессорный чип размером 4 х б мм под микроскопом, то он выглядит как город с большой высоты. «Дома» — это отдельные элементы, транзисторы, сопротивления и конденсаторы. «Городские районы» — это блоки: блок управления, вычислительный блок, ЗУ. «Улицы» — монтажные дорожки между элементами. Некоторые чипы выглядят, однако, более однообразно. Это чипы памяти. В них хранятся большие объемы информации, которые не подходят для КЭШа микропроцессора. Такие тонкие структуры, в сотни раз тоньше волоса, невозможно производить вручную или с помощью машин — лишь с применением сложной комбинации фотографии и химии. Пластину сначала покрывают светочувствительным лаком. Потом мощный «диапроектор» проецирует на нее картинку предусмотренных структур — «маску». В местах действия света лак становится нерастворимым. Если теперь опустить чип в растворитель, лак исчезнет там, куда не попал свет. Далее пластину обрабатывают кислотой: она вытравливает места, не защищенные лаком. Так получают отпечаток «маски» на пластине. Наконец, сильным растворителем снимают остатки фоторезиста.
Такой способ повторяется многократно с различными масками. Вместо кислоты воздействуют кислородом или другими веществами либо напыляют новый слой кремния. Постепенно, примерно за 200 операций, получают задуманную структуру чипа с различными элементами, которые располагаются друг над другом в нескольких плоскостях.
Работа организована таким образом, что одновременно образуются несколько сотен чипов. Они разделяются, тестируются с помощью компьютера, снабжаются тончайшими присоединительными проводками и наконец заключаются в корпус из пластика.
Процесс изготовления таких чипов предъявляет чрезвычайно высокие требования к производственному помещению. Любая пылинка или волосинка на пластине может испортить чип: ведь отдельные транзисторы меньше бактерий! Поэтому работа производится в сверхчистых помещениях, в тысячи раз чище операционной в больнице. Несколько последовательно подключенных кондиционеров отфильтровывают даже самое малое количество пыли из воздуха, а работники одеты в защитные костюмы, закрывающие, все тело. Разработка планов для масок требует много месяцев. План настолько велик, что мог бы занять площадь пола в спортивном зале. Его оптически уменьшают до размера пластины. К линзам предъявляются чрезвычайно высокие требования: их поверхность не должна отклоняться от заданных значений более чем на миллионную долю миллиметра. В производстве чипов уже несколько лет действует правило: примерно раз в три года на рынке появляются новые чипы, которые  приблизительно в 4 раза мощнее своих предшественников. Это объясняется тем, что на чипах размещается все большее число транзисторов.
Представьте себе компьютер в качестве офиса с одним сотрудником. У него есть корзина для входящих бумаг, в которую ему кладут подлежащие обработке документы. Он берет их и обрабатывает содержащиеся там числа в соответствии с определенными инструкциями — они записаны в виде служебных инструкций в толстой книге на его письменном столе. Расчеты он производит с помощью маленькой счетной машины. И наконец, он кладет обработанные документы в корзину для исходящих или посылает в архив, если их нужно хранить в течение продолжительного времени.
В компьютер данные вводятся с помощью клавиатуры. Они попадают сначала в накопитель данных — он соответствует корзине для входящих. Сам служащий представляет собой блок управления в центральном процессоре, который организует работу. Рабочие инструкции он берет из накопителя, в который положены операционная система и некоторые прикладные программы. Счетная машина соответствует решающе-I му блоку в центральном процессоре. А обработанные данные снова оказываются в накопителе (соответствует корзине для исходящих) ; и потом показываются на мониторе или отправляются в принтер.
В компьютере есть еще несколько узлов, например такие, которые введенные десятичные числа преобразуют в двоичные, или наоборот. Важную функцию выполняет также датчик тактовых импульсов: процессы в компьютере, как и на конвейерном производстве, происходят по рабочим тактам, хоть и миллионы в секунду.
Так же просто понять и принцип действия компьютерных программ. Здесь поможет пример с сортировочной станцией.
Важным процессом внутри компьютера является пересылка чисел: от входной буферной памяти-в решающий блок, от решающего блока — в выходную буферную память и так далее. В первых компьютерах соединения делали еще из кабелей или переключали соответствующие выключатели — вручную или через перфокарты.
Команды хранятся в особом накопителе в виде двоичных чисел, то есть как последовательность нулей и единиц.
Эти цифры, управляемые решающим блоком, устанавливают связь между двумя точками, между двумя ячейками памяти, — так телефонный номер создает связь между двумя телефонами. На рисунке показано, как это можно себе представить.
Локомотив в памяти А должен изображать введенную, подлежащую обработке цифру. Чтобы подвести ее к памяти С, нужно перевести несколько стрелок в правильное положение. Каждая стрелка имеет два положения, которые обозначаются как «О» и «1». Блок управления переводит шины, стрелки. В этом случае первая и вторая стрелки должны стоять на «1», третья и четвертая — на «О».
Программная команда «1100» приводит локомотив из А в С — или переносит цифры, сохраненные в ячейке памяти А, через информационную шину в ячейку памяти С.
Если представить, какие огромные объемы подобных команд может за секунду выполнить компьютер, программирование с бесконечными рядами нулей и единиц может показаться неразрешимой задачей. Однако программисты давно ее упростили. Они сократили часто повторяющиеся очередности единичных команд в одно короткое слово и применили в компьютере еще один специальный блок: каждый раз, как задают это слово, блок автоматически преобразует его в соответствующий ряд цифр, то есть последовательность единичных команд. Примерно 200 таких сокращений называют машинным кодом.
Следующим шагом вперед стало создание языков программирования, пригодных для всех компьютеров.
Чаще всего в них используются английские слова. Например, PRINT (печатать) — чтобы послать данные в принтер и распечатать. Или LOAD (загружать) — чтобы отправить программу в память компьютера. Самый простой язык программирования — BASIK, другие языки называются PASCAL, FORTRAN, HyperCard или С++.
Программу, написанную на BASIK для компьютера с MS-DOS, нельзя сразу запустить в компьютере. Сначала ее нужно преобразовать в машинный код. Это может сделать вспомогательная программа Interpreter (переводчик). Постоянный перевод, однако, существенно замедляет работу программы. Лучше сначала перевести программу с помощью других вспомогательных программ (так называемых компиляторов) в машинный код и уже в таком виде вводить ее в компьютер.
Программист, создавая прикладную программу, использует язык программирования. Но когда программа готова и тщательно проверена на наличие ошибок, он переводит ее в машинный код — в таком виде она будет продаваться.
Далеко не каждому пользователю необходимо решать на компьютере сложные задачи. Многим он нужен совсем для других дел: как пишущая машинка, чтобы сочинять тексты, как банк данных для запоминания и быстрого поиска больших объемов информации, или для обмена электронной почтой с другими компьютерами. С этим задачами прибор справляется, при наличии соответствующих прикладных программ, великолепно.
Это возможно благодаря преобразованию букв в двоичные числа.
Уже много лет назад компьютерные специалисты договорились использовать один общий код, который понимают и используют все компьютеры. Его называют код ASCII — American Standard Code for Information Interchange (Американский стандартный код для обмена информацией). Каждой прописной и строчной букве, каждому знаку препинания и децимальной цифре, а также специальным символам, например «собачке» @, присвоено двоичное число из 8 цифр. Так, например, А — 01000001, вопросительный знак — 00111111, цифра 3 — 00110011. Всего таких знаков 256.
Если на клавиатуре нажимают букву А, то она посылает ряд цифр во входную буферную память компьютера. Благодаря прикладной программе компьютер знает, что ему этими цифрами нужно не вычислять, а представлять на мониторе соответствующие буквы. Дополнительно указывается, где именно на экране должна появиться эта буква, какого размера и цвета.
Компьютеры должны не только обрабатывать данные, то есть числа и тексты, но и уметь их запоминать. Это происходит разными способами: небольшие объемы данных сохраняются в специальных чипах памяти, более крупные — на дискетах или жестких дисках.
Самая важная оперативная память (ОЗУ) компьютера — память RAM. Она состоит из ряда чипов памяти, которые связаны с ЦПУ. Обозначение RAM — сокращение от Random Access Memory (память с произвольной выборкой). Здесь компьютер может в любое время складывать данные и снова их считывать. В RAM, например, хранятся данные, с которыми компьютер в настоящее время работает, а также прикладные программы и данные, которые появляются на мониторе.
Большинство компьютеров загружают свою операционную систему только при запуске встроенного жесткого диска в RAM. Необходимые для этого команды находятся в специальном элементе памяти, который компьютер может только читать, но куда он не может вносить никакие данные. Они там уже выжжены производителем. Такой вид памяти называется ROM (Read only memory — «память только для считывания»). Начальную загрузку операционной системы после включения называют booten (от англ. to boot — одевать ботинок).
Поскольку RAM так важен для работы компьютера, его объем представляет важный аргумент для продаж. RAM современных ПК не менее 128 мегабайт. Однако он имеет один недостаток: при отключении компьютера информация не сохраняется. Поэтому компьютеру нужны другие виды памяти, содержание которых сохраняется также при отсутствии тока.
Самый важный из таких «негибких ЗУ» — жесткий диск, который есть практически в каждом ПК. Это быстро вращающийся диск, покрытый тонким слоем магнитного материала.
На рычаге над этим диском взад-вперед перемещается маленькая головка считывания/записи. Она может записывать запоминаемые двоичные цифры в виде магнитных точек на диске и, кроме того, снова их считывать.
Современные жесткие диски в ПК могут запоминать многие гигабайты данных и в течение миллисекунд снова найти любую желаемую информацию и считать ее.
На жестком диске запоминаются не только данные, с которыми работают, но и имеющиеся прикладные программы, а также операционная система компьютера, которую он загружает при запуске в RAM.
Как правило, жесткие диски встроены. Если хотят обменяться данными между компьютерами, пользуются дисками или дискетами.
У каждого ПК есть дисковод, с помощью которого он может читать и записывать такие диски и дискеты.
Очень часто используют сменные жесткие диски с большей емкостью.
Более новые виды этих сменных дисков запоминают данные уже не магнитным способом, а оптическим — с помощью лазеров на светочувствительном материале. Они могут вмещать более 1 гигабайта информации.
С помощью лазерного луча считывают также информацию с CD-ROM. Это серебристые блестящие пластиковые диски, в которых двоичные цифры запоминаются в виде крошечных (различимых лишь в микроскоп) углублений. В специальных дисководах лазерный луч «ощупывает» эти углубления, а маленький чип преобразует их в двоичные цифры.
Большинство дисков можно только считывать, а не записывать самим, отсюда и название: это сокращение от Compact Disc-Read-Only-Memory (компакт-диск — память только для считывания).