УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ПРЕДМЕТУ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. Микроэлектроника ключевые этапы развития

Эволюция микроэлектроники: ключевые этапы развития

Презентация выполнена преподавателем ГБПОУ УКРТБ Рыжиковым А. И. с помощью «Гамма» — нейросеть для презентаций.

Рождение электроники: вакуумные трубки и первые открытия

1883

Эффект Эдисона: Открытие явления термоэлектронной эмиссии, ставшее фундаментом для создания вакуумных трубок.

1904

Клапан Флеминга: Джон Амброз Флеминг изобретает первую практичную вакуумную трубку, используемую для детектирования радиоволн.

1906

Триод де Фореста: Ли де Форест создает триод "Аудион", способный усиливать электрические сигналы, что открыло путь к современной электронике.

Вакуумные трубки стали краеугольным камнем для развития радио, телевидения и первых поколений компьютеров, заложив основы электронной эры.

Революция 1947 года: изобретение транзистора

Лаборатории Bell

Компактность и надёжность

Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли разработали первый работоспособный точечный транзистор.

Транзистор заменил громоздкие и недолговечные вакуумные трубки, значительно уменьшив размер электронных устройств.

Начало цифровой эры

Изобретение транзистора дало старт развитию портативных радиоприёмников, слуховых аппаратов и первых вычислительных машин, предвещая цифровую революцию.

1958–1960: Рождение интегральной схемы и начало микроэлектроники

1958: Идея Килби

Джек Килби из Texas Instruments создал первую интегральную схему , объединив несколько компонентов на одном полупроводниковом кристалле.

1961: Патент Нойса

Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor запатентовал планарную технологию производства ИС, сделав возможным их массовое производство.

1962: Первая МОП-схема

В RCA разработали первую МОП-микросхему, что стало важным шагом к созданию сложных цифровых устройств.

Это привело к появлению микроэлектроники — отрасли, которая позволила упаковать тысячи и миллионы транзисторов на один крошечный чип.

Закон Мура: экспоненциальный рост возможностей

Формулировка закона (1965)

Гордон Мур, сооснователь Intel, предсказал, что число транзисторов на интегральной схеме будет удваиваться примерно каждые 1-2 года.

Поразительный рост

К 2010 году на одном чипе размещалось уже более миллиарда транзисторов, что привело к увеличению производительности в 10 000 раз.

Снижение энергопотребления

Одновременно с ростом производительности энергопотребление на единицу вычисления снизилось в миллионы раз.

Двигатель прогресса

Закон Мура стал главной движущей силой всей индустрии микроэлектроники, стимулируя инновации и удешевление технологий.

Технологические процессы: от микрометров к нанометрам

2

1

Современные нанометры

Начало: 10 мкм

В 1960-х годах размер элементов в микросхемах составлял около 10 микрометров.

Сегодня передовые техпроцессы достигают 5 нм, 3 нм и даже 1,6 нм (TSMC, Samsung, Intel).

3

4

300 мм пластины

Трёхмерные транзисторы

Увеличение диаметра кремниевых пластин до 300 мм значительно повысило эффективность производства.

Переход от планарных структур к FinFET и GAAFET позволяет создавать более эффективные и плотные чипы.

Транзисторы FinFET и GAAFET: новые архитектуры

Фин-подобный канал

Затвор вокруг канала

GAAFET

FinFET

Лучший контроль утечек

Трёхмерная структура

GAAFET: Затвор со всех сторон

FinFET: Трёхмерная конструкция

• Снижает токи утечки.

• Окружает канал со всех сторон для максимального контроля тока.

• Повышает плотность размещения элементов на чипе.

• Дальнейшее улучшение масштабирования и производительности.

• Улучшает производительность и энергоэффективность.

• Ожидается массовое внедрение с 2025 года.

Эти инновации преодолевают физические ограничения классической миниатюризации, открывая новые горизонты для развития микроэлектроники.

ASIC и FPGA: эволюция специализированных микросхем

FPGA: Гибкость

ASIC: Специализация

Появились в 1980-х для выполнения конкретных задач с высокой эффективностью.

Программируемые логические матрицы, позволяющие пользователю настраивать их функциональность.

SoC: Интеграция

Применение

Современные Системы на Чипе объединяют на одном кристалле процессоры, память, графику и ИИ-ускорители.

ASIC стали основой для сетевого оборудования, устройств для майнинга криптовалют и мобильных устройств, обеспечивая высокую производительность.

Российский вклад и научные достижения

Нобелевская премия Жореса Алфёрова (2000 г.)

За разработку полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники, изменивших мир лазеров и светодиодов.

Институт физики полупроводников РАН

Ведущий центр исследований в области полупроводниковых технологий, работающий над новыми материалами и устройствами.

Научные коллективы

Множество российских ученых и инженеров вносят вклад в развитие микроэлектроники, работая над прорывными технологиями будущего.

Россия продолжает развивать свою научно-техническую базу, внося значимый вклад в глобальную микроэлектронику.

Будущее микроэлектроники: вызовы и перспективы

Новые парадигмы

Поиск альтернатив закону Мура: квантовые и нейроморфные чипы.

1,6-нм техпроцесс

GAAFET как новый стандарт для следующего поколения микросхем.

ИИ и 5G

Рост вычислительной мощности для развития искусственного интеллекта и 5G сетей.

Интернет вещей

Микроэлектроника - фундамент для развития Интернета вещей и цифровой экономики.

Будущее микроэлектроники обещает быть захватывающим, открывая двери для новых технологических прорывов и инноваций.