Проект по теме - Кандалакшский индустриальный колледж

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАНДАЛАКШСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»
Проект по теме:
«Нанотехнологии в микропроцессорной технике:
вчера, сегодня, завтра»
Выполнил работу
студент группы 161/1:
Сорока Андрей
Преподаватель:
Клокова Е. Е.
2014 год
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ ................................................................................................................................................ 2
ТЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................................................................................................ 3
ЦЕЛЬ РАБОТЫ............................................................................................................................................... 3
ЗАДАЧИ ......................................................................................................................................................... 3
АКТУАЛЬНОСТЬ ............................................................................................................................................ 3
НОВИЗНА ...................................................................................................................................................... 3
МИКРОПРОЦЕССОРЫ: Что это такое и с чем его едят? ........................................................................... 4
ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРА. ........................................................................................... 4
ЧТО МЫ ИМЕЕМ СЕГОДНЯ? ........................................................................................................................ 6
МОБИЛЬНАЯ МОЩЬ .................................................................................................................................... 7
СПЕЦИАЛИСТАМ УДАЛОСЬ РАЗРАБОТАТЬ ПЕРВЫЙ В МИРЕ НАНОПРОЦЕССОР .................................... 8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................................................................10
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................11
2
ТЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ
Я хочу рассказать о истории создания микропроцессоров, о том каких успехов достигло
человечество в области их создания, какова их роль в технике.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Рассмотреть развитие микропроцессорной техники и влияние нанотехнологий на неё.
ЗАДАЧИ
Для реализации цели проекта необходимо выполнить ряд задач:
1. Изучить, проанализировать и систематизировать материалы по теме
2. Рассмотреть эволюцию развития микропроцессорной техники с появлением
нанотехнологий
3. Применение микропроцессорной техники в повседневной жизни
АКТУАЛЬНОСТЬ
Сегодня на службе человека целая армия электронных помощников: телевизоры,
ноутбуки, смартфоны и навигаторы. Все эти гаджеты обладают процессорами. И даже в
обычных бытовых приборах холодильниках, стиральных машинах и детских игрушках
они тоже есть. Микропроцессоры незаметно проникли во все сферы нашей жизни...
НОВИЗНА
Инновационным подходом к изучению микропроцессоров является начальная стадия
зарождения нанотехнологий.
3
МИКРОПРОЦЕССОРЫ:
Что это такое и с чем его едят?
«Страх перед чем-то кардинально новым не просто опасен —
он может украсть твое предназначение»
Микропроцессор — процессор, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из
нескольких специализированных микросхем. Он полностью отвечает за работу устройства от
производительности до энергопотребления.
ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРА.
«Иногда то, что мы получаем в результате,
превосходит наши самые смелые мечты…»
Вплоть до 17-го века самым «мощным» вычислительным устройством являлись
счеты, изобретенные еще до нашей эры и за тысячу лет претерпевшие лишь
незначительные изменения. Они могли выполнять лишь 2 арифметических действия —
сложение и вычитание.
В 1642 г. Блез Паскаль, знаменитый французский математик, изобрел первую
арифметическую машину — арифмометр. Это устройство уже умело умножать и делить, а
чтобы заставить машину думать, приходилось все время крутить ручку.
Началом компьютерной эры или эры вычислений можно считать годы Второй
мировой войны. Именно тогда, в 1944 г., свет увидела первая ЭВМ на электронных
лампах* «МАРК-1». Эта машина и подобные ей ЭВМ были настоящими монстрами,
поскольку занимали целые залы. Наличие тысяч электронных ламп требовало как и
значительных затрат электроэнергии с одной стороны, так и использования специальных
систем охлаждения с другой. При этом очень часто лампы сгорали, а на поиск и
устранение
неисправности
уходило
довольно
продолжительное
время.
Производительность этих ЭВМ составляла от тысяч до десятков тысяч операций в
секунду. Команды же в них вводились в двоичном виде, а обслуживанием одной машины
занимались бригады рабочих.
* Электронная лампа - электровакуумный прибор, действие которого основано на
изменении потока электронов электрическим полем, формируемым с помощью
электродов.
4
Значительным прорывом в развитии ЭВМ стало появление транзисторов*. Эти
полупроводниковые приборы позволили к началу 60-х годов прошлого века в сотни и
тысячи раз снизить энергопотребление вычислительных машин, увеличив при этом их
производительность до миллиона операций в секунду. Также применение транзисторов в
качестве основного вычислительного элемента позволило уменьшить размеры ЭВМ от
нескольких десятков кубических метров до размеров шкафа или холодильника. А
совершенствование устройств ввода и вывода информации дало возможность создавать
более сложные программы для ЭВМ.
* Транзистор — электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий
три (или более) вывода, предназначенный для генерирования и преобразования
электрических колебаний.
Время шло, и на смену транзисторам пришли так называемые интегральные схемы
(ИС), представляющие из себя небольшой, порядка 10 мм2, полупроводниковый кристалл.
Такие кристаллы, объединяющие в себе тысячи транзисторов, обладали большей
вычислительной
мощностью,
чем
громадные
ЭВМ
на
электронных
лампах.
Производительность ЭВМ возросла в сотни раз, а их габариты снова значительно
уменьшились. Первые ЭВМ на ИС использовались, в основном, для космических и
военных целей.
Развитие ИС и уплотнение транзисторов на них привело к появлению больших
интегральных схем (БИС), очередной раз увеличив производительность ЭВМ в сотни раз.
Так компьютеры постепенно приобретали современный вид. Здесь отметим, что только
появление ИС и БИС позволило рядовому человеку заменить, наконец, счеты на
калькуляторы.
18 ноября 1971 Фирма Intel® выпустила свой первый микропроцессор — модель
4004 . Концепция состояла в том, чтобы сконструировать почти полное вычислительное
устройство на одной микросхеме. Четырехбитовый микропроцессор Intel 4004 стал
именно таким устройством. Он был размером с ноготь, и имел такую же вычислительную
мощность, как первый электронный компьютер ENIAC, созданный в 1946 году,
занимавший
целую
комнату
и
использовавший
18000
вакуумных
трубок.
5
ЧТО МЫ ИМЕЕМ СЕГОДНЯ?
«Научись любить жизнь — и она обязательно
ответит тебе взаимностью»
Анализируя историю развития ЭВМ от момента появления транзистора до
создания БИС, можно заметить, что в качестве основного вычислительного элемента на
всех этапах использовался только транзистор. Ведь ИС и БИС — это конгломераты
транзисторов, находящихся на одном кристалле, в отличие от электронных ламп и первых
транзисторов, которые размещались отдельно. Коммутация на интегральных схемах
вследствие плотной упаковки элементов и отсутствия соединительных проводов
осуществляется намного быстрее и является намного более надежной.
Очевидно, что производительность компьютеров растет при увеличении числа
транзисторов в их вычислительных элементах. Этот факт и до сих пор является основным
для создателей микропроцессорной техники. Современные процессоры основаны на сверх
больших интегральных схемах (СБИС) и содержат сотни миллионов транзисторов. Но,
как выяснилось при создании микропроцессоров, нельзя просто экстенсивно увеличивать
число транзисторов, так как это приводит к чрезмерно высокому тепловыделению,
которое не дает прироста в скорости, а, напротив, является причиной сбоев в работе.
Именно здесь во всей своей красе и появляются нанотехнологии. Современные
научные методы и инженерные разработки позволяют создавать транзисторы с
энергопотреблением в миллионные доли ватта. Такие транзисторы имеют размеры в
несколько десятков нанометров(!). Для сравнения представьте себе квадратный участок
земли площадью 1 га, т.е. квадрат со стороной 100 м. Так вот, каждый квадратный метр
этого участка во столько же раз меньше площади участка, во сколько раз один атом
меньше нанотранзистора.
Такая миниатюризация позволяет в один кристалл поместить вплоть до одного
миллиарда транзисторов. Поэтому производительность современных микропроцессоров в
десятки миллионов раз выше, чем первых ЭВМ на электронных лампах. При этом
энергопотребление процессора в 2-3 раза ниже, чем у обычной лампочки. Что и говорить,
50 лет назад такая производительность у «камешка» размером в несколько квадратных
сантиметров казалась бы просто фантастикой.
Применение нанотехнологий в сфере вычислительной техники не ограничивается
созданием микропроцессоров. Такие технологии также используют и в модулях памяти —
6
второй по значению детали компьютера. Здесь нанотехнологии уже позволили
значительно увеличить объемы ОЗУ* и достигнуть быстродействия, сравнимого с
таковым у процессоров. Современная оперативная память позволяет адресовать десятки
гигабайт информации в секунду.
* ОЗУ — оперативно-запоминающее устройство. Память ОЗУ работает, когда компьютер
включен, и очищается при его отключении.
Нанотехнологии используются и в устройствах долговременной памяти. Здесь
современные тенденции не обошли стороной такое перспективное направление развития
компьютерных технологий, как создание SSD-дисков*. Используемая в устройствах
флэш-память позволяет создавать более быстрые и экономичные носители информации.
Пока SSD-диски уступают традиционным жестким дискам по такому параметру, как
объем хранимой памяти. Но эта ситуация, по прогнозам специалистов, изменится уже в
ближайшие годы.
Также нельзя не отметить использование нанотехнологий в видеоадаптерах.
Впрочем, современные видеоадаптеры представляют собой целую материнскую плату с
расположенными
на
ней
графическим
процессором,
памятью
и
прочими
дополнительными устройствами и контроллерами. Так что здесь нанотехнологии
используются в составе составных частей, о которых мы писали выше. Однако следует
знать, что принципы работы графических процессоров и памяти немного отличаются от
традиционных центральных процессоров и ОЗУ. Число транзисторов в графических
процессорах обычно больше, чем в центральных. Память также работает быстрее. И
современные видеокарты намного быстрее справляются с задачами по обработке и
кодированию видео, чем «главный камешек» компьютера.
* SSD-диск — устройство для долговременного хранения информации. Является альтернативой
традиционным жестким дискам. Вместо механических частей и магнитных дисков, SSDнакопители используют специальную флэш-память.
МОБИЛЬНАЯ МОЩЬ
«Мудрость предпочтительнее силы,
и размеры не гарантируют ума»
Но современная вычислительная техника — это не только персональные
компьютеры. Также и миниатюризация деталей, привнесенная нанотехнологиями,
7
используется не только в них. Ноутбуки, карманные компьютеры (КПК) и мобильные
телефоны — вся эта техника, благодаря своей высокой производительности, превратилась
в цифровые мультимедийные центры, технические характеристики которых были бы
немыслимы без использования нанотехнологий.
Память современных мобильных телефонов составляет от единиц до десятков
гигабайт, а производительность процессора — сотни мегагерц. Такая мощь всего
несколько лет назад была чужда даже персональным компьютерам. Реальность такова, что
КПК и даже мобильные телефоны, при соответствующем программном обеспечении,
можно использовать для научных расчетов, чем и пользуются любители науки и техники.
СПЕЦИАЛИСТАМ УДАЛОСЬ РАЗРАБОТАТЬ ПЕРВЫЙ В МИРЕ
НАНОПРОЦЕССОР
Это новость появилась на известном сайте новостей высоких технологий
7 ФЕВРАЛЯ 2014 ГОДА
Ученым Гарвардского университета (Harvard University) совместно с компанией
MITRE Corporation удалось создать первый в мире нанопроцессор, который был назван
nanoFSM.
Размеры нанопроцессора составляют от 3 до 130 микрометров. Нанопроцессор включает в
себя микротранзисторы в десять тысяч раз меньшие, чем человеческий волос. За счет
объединения микротранзисторов в наноблоки возможно создание
более крупных
вычислительных систем, nanoFSM возможно запрограммировать на выполнение простых
арифметических и логических операций.
икротранзисторы имеют и ещё одну важную особенность – их отличается малая
энергозависимость, они способны к сохранению своего состояния даже после того, как
питание отключено.
Разработчики нанопроцессора выражают уверенность в том, что очень маленькие
размеры и особенности нанопроцессора дадут возможность использования разработки в
целях управления различными по типу электронными микросистемами и для того, чтобы
создавать мощные вычислительные схемы: «Благодаря своему очень малому размеру и
чрезвычайно низкому потреблению энергии, эти новые нанопроцессорные микросхемы
станут строительными блоками для создания совершенно нового класса более компактной
8
и легкой потребительской электроники и электронных датчиков… Эти новые
нанопроцессоры являются важной вехой на пути к воплощению нанокомпьютеров в
жизнь, о чем еще 50 лет назад говорил физик Ричард Фейнман», - сказал Джеймс
Элленбоген, ученый из MITRE.
9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
«Приобретай мудрость, и всем имением
твоим приобретай разум»
Все достижения, результатами которых мы сейчас пользуемся, являются
следствием развития нанотехнологий. Человек приобретает новые знания для того, чтобы
использовать их для лучшей организации жизни, для создания новых удобств и
возможностей. Распространенным является высказывание, что лень является двигателем
прогресса. Не следует соглашаться с этим утверждением. В частности, история развития
вычислительной техники, описанная в данной работе, говорит о том, что двигателем
прогресса служит стремление к эффективности.
И здесь микропроцессоры скажут еще не одно слово.
10
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- Журнал НиТ(Наука и Технологии): №9(40), 2009 г. Автор: Константинов А.
- ru.wikipedia.org
- http://ht-news.com/it/5972-specialistam-udalos-razrabotat-pervyy-v-mire-nanoprocessor.html
- http://2.russia.tv/video/show/brand_id/21585
11