Student World

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 stupňů 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!

autor Dušan Juhás