English

Wynalezienie Mikroprocesora było jednym z najważniejszych wydarzeń w historii komputerów. Umożliwiło bowiem ich miniaturyzację i rozpowszechnienie na masową skalę. Dzięki mikroprocesorom komputer stał się narzędziem ogólnie dostępnym.

Mikroprocesor jest układem scalonym, czyli miniaturowym układem elektronicznym, którego elementy wytwarza się w jednym cyklu technicznym na powierzchni lub wewnątrz krzemowej płytki nie większej niż 1 cm2 i nie grubszej niż 0,1 milimetra. Tę niewielką czarną kostkę wypełniają mikroskopijne struktury, dzięki którym komputer „myśli”, czyli przetwarza informacje.

Historia komputerów rozpoczęła się znacznie wcześniej niż produkcja mikroprocesorów. Pierwszą maszynę liczącą, zbudowaną w 1946 roku przez amerykańskich uczonych, nazwano ENIAC. Składała się ona z 18 lamp elektronowych, 1500 przekaźników, zajmowała pomieszczenie o wymiarach 9x15 metrów, ważyła 30 ton. Była niebywale droga i w tej postaci nie mogła oczywiście trafić do powszechnego użytku.

Amerykańscy uczeni stworzyli nowy półprzewodnikowy element elektroniczny – tranzystor. John Bardeen i Walter Hauser Brattin wynaleźli w 1947 roku tranzystor ostrzowy, a Willian Bradford Shackley w 1949 roku – warstwowy. Uruchomiło to lawinę wynalazków prowadzących w prostej drodze do mikroprocesora. Tranzystory mają dwa ważne zastosowania: umożliwiają włączenie i wyłączanie przepływu prądu przez układ elektroniczny (jest to podstawowa funkcja wszystkich komputerów cyfrowych) oraz nadają się do wykorzystania jako wzmacniacze.

Pierwsze tranzystory produkowano w technologii bipolarnej, co oznacza, że w przewodzeniu prądu brały udział dwa nośniki: elektrony oraz tzw. dziury, czyli puste przestrzenie po elektronie mające ładunek dodatni. Później naukowcom udało się stworzyć tranzystor unipolarny, w którym prąd tworzył nośnik tylko jednego rodzaju: albo elektrony, albo dziury. Był to krok w kierunku znacznej miniaturyzacji tranzystora.

Istotny postęp dokonał się na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych za sprawą amerykańskiej firmy Intel, która podjęła próbę uczynienia z pamięci półprzewodnikowej wyrobu nadającego się do praktycznego zastosowania i wyprodukowała układ scalony zawierający ponad tysiąc tranzystorów – pierwszy mikroprocesor. Historia jego powstania rozpoczęła się w 1969 roku od zamówienia, otrzymanego przez Intel od japońskiej firmy Busicom. Japończycy potrzebowali zestawu mikroukładów, których można byłoby użyć do produkcji kalkulatorów. W tym czasie wszystkie układy logiczne projektowane oddzielnie do każdego zamawianego wyrobu. Specjaliści Intela pod kierownictwem Teda Hoffa odrzucili to żądanie i zaprojektowali jednoukładowe urządzenie logiczne ogólnego przeznaczenia, które mogło być wykorzystane nie tylko do produkcji wspomnianych kalkulatorów bez konieczności wprowadzania zmian. Pierwszy procesor 4004 miał wymiary paznokcia i był wykonany w Technologii p-MOS. 4004 składał się z 2300 tranzystorów oraz kilku innych mikroukładów, które łączenie tworzyły system mikrokomputerowy MCS o mocy obliczeniowej równej ENIAC-a.

Pojawienie się na rynku nowego produktu uruchomiło wyścig firm dążących do stworzenia coraz silniejszych i szybszych układów procesora. Pierwszy mikroprocesor był 4-bitowy, czyli informacje z wewnątrz i na zewnątrz układu mogły być przetwarzane i przesyłane tylko 4-bitowymi porcjami. Z czasem naukowcy zwiększyli jednostki jednorazowo przesyłanej informacji do 8, 16, 32 i więcej bitów.

Po 4004 Intel wprowadził mikroprocesor 8080, pierwszy, który wytwórcy sprzętu elektronicznego zastosowali w sposób masowy. W 1981 roku do rodziny mikroprocesorów Intela dołączył 16-bitowy procesor 8086 oraz 8-bitowy 8088. Ten drugi został zastosowany przez komputerowego giganta IBM w pierwszym komputerze osobistym. Już w następnym roku Intel wprowadził na rynek kolejny układ, o symbolu 286, zawierający 134 tysiące tranzystorów i aż trzykrotnie szybszy od konkurencyjnych procesorów 16-bitowych, wyposażony w wewnętrzny system zarządzania pamięcią i zgodny programowo z poprzednikami. Potem był Pentium Pro oraz Pentium II. Produkcja procesorów Intela zajęły się także inne firmy, takie jak Advenced Micro Devices (AMD), Cyrix i Siemens. Później, gdy Intel postanowił sam produkować własne wyroby, konkurencji nie pozostało nic innego jak zaprojektować i wybudować własne modele chipów.

Zwiększeniu szybkości mikroprocesorów towarzyszyło obniżenie ich cen, dlatego obecnie liczba pecetów przekroczyła 200 milionów i nieustannie rośnie.

Cel producentów nie zmienił się od czasu powstania pierwszego urządzenia tego typu: maksymalizacja prędkości działania, minimalizacji poboru mocy elektrycznej niezbędnej do ich pracy i zwiększenie gęstości upakowania elementów, czyli stopnia scalenia. Tak więc urządzenia, które w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych wymagały setek lub tysięcy układów scalonych, obecnie mogą być wykonane przy użyciu jednego mikroprocesora. Jego ogromna zaleta polega na tym, że poprzez prostą wymianę programu zawartego w pamięci chipa może być wykorzystywany na wiele sposobów i w różnych urządzeniach.

A wszystko to dzięki półprzewodnikowej krzemowej płytce nie większej niż paznokieć. Każdy mikroprocesor składa się – w dużym stopniu przybliżeniu – z dwóch elementów funkcjonalnych mających ściśle określone zadania. Pierwszy z nich to układ sterowania, który interpretuje rozkazy pobierania pamięci, a następnie na tej podstawie kontroluje wewnętrzne działanie mikroprocesora. Reaguje też na sygnały docierające z zewnątrz i wytwarza sygnały umożliwiające organizowanie współpracy mikroprocesora z innymi elementami systemu, takim jest układ pamięci i wejścia-wyjścia. Drugi to układ realizujący operacje arytmetyczno-logiczne wprowadzone na jego wejście i wyprowadzające wynik tych operacji do określonego rejestru. Rodzaj wykonanej operacji zależy od sygnałów sterujących pochodzących z układu sterowania.

Podczas produkcji mikroprocesorów wymagana jest ogromna precyzja i czystość. Proces wytwarzana układów scalonych odbywa się w pomieszczeniach, w których każde 30 cm3 powietrza zawiera mniej niż 1000 cząsteczek pyłków. Wymagana wilgotność jest zerowa, utrzymuje się temperaturę 20 °C, a pracownicy noszą ochronne buty, fartuchy, rękawiczki, czapki, a nawet maski na twarzach. Te środki bezpieczeństwa są niezbędne, najdrobniejsze bowiem zanieczyszczenie w postaci włosa lub kropli potu może zniszczyć całą partię układów scalonych. Technologia wytwarzania chipów bardzo się zmieniła. Kiedyś większość prac wykonywano ręcznie i istniało wiele możliwości popełnienia błędów.

Bibliografia

• Życie Świata - Technika
• Encyklopedia multimedialna PWN
• Encyklopedia multimedialna Fogra