تراشه کامپیوتر چیست؟
تراشه کامپیوتر یک لایه نازک کوچک از ماده نیمه‌رسانا با یک مدار الکترونیکی جاسازی شده است. این تراشه حاوی میلیون‌ها قطعه الکترونیکی میکروسکوپی به نام ترانزیستور است که سیگنال‌های داده را منتقل می‌کنند. در ابتدا، تراشه‌ها از نظر فیزیکی بزرگ بودند و محاسبات فقط در آزمایشگاه‌های ملی، دانشگاه‌ها یا شرکت‌های بزرگ انجام می‌شد. نوآوری‌های بیشتر در فناوری تراشه‌های کامپیوتری منجر به توسعه پردازنده‌های با کارایی بالا شد که نیروی محرکه انواع برنامه‌های تحلیلی پیشرفته، گرافیکی و یادگیری ماشینی هستند. با کاهش اندازه تراشه‌های کامپیوتری، امکان ساخت رایانه‌های کوچکتر که در خانه قابل استفاده باشند، فراهم شد. امروزه، تراشه کامپیوتر در همه جای زندگی ما وجود دارد—از مایکروویو گرفته تا مسواک‌هایمان.
تراشه‌های کامپیوتری چگونه ساخته می‌شوند؟
تراشه‌های کامپیوتری معمولاً در کارخانه‌هایی به نام کارخانه‌های ساخت یا “فب‌ها” تولید می‌شوند. آنها از سیلیکون، یک عنصر شیمیایی رایج موجود در شن و ماسه، ساخته می‌شوند. سیلیکون یک نیمه‌رسانا است، به این معنی که رسانایی الکتریکی آن بین فلزاتی مانند مس و عایق‌هایی مانند شیشه قرار دارد.
در اینجا خلاصه‌ای از فرآیند تولید تراشه آورده شده است:
استخراج و شکل‌دهی سیلیکون
شمش‌های سیلیکون تک کریستالی با ذوب و تصفیه شن استخراج می‌شوند. این شمش‌ها تقریباً ۱۰۰٪ خالص هستند. آنها به تراشه‌های نازک برش داده می‌شوند که تمیز، صیقل داده شده و با لایه‌ای از دی‌اکسید سیلیکون پوشانده می‌شوند. یک پوشش اضافی از یک ماده شیمیایی به نام فوتورزیست برای افزایش حساسیت به نور روی ویفرهای سیلیکونی اضافه می‌شود. اقدامات احتیاطی شدیدی برای اطمینان از عدم آلودگی با گرد و غبار یا سایر مواد خارجی در طول این فرآیند انجام می‌شود. پس از آماده شدن تراشه‌های سیلیکونی اولیه، مدارهای الکترونیکی روی آنها حک می‌شوند.
حکاکی مدار
ویفر سیلیکونی با یک صفحه با الگوی مدار، به نام ماسک، پوشانده شده و در معرض نور فرابنفش قرار می‌گیرد. نور، ماده فوتورزیست در معرض نور را در الگوی مدار سخت می‌کند. سپس گازهای داغ، ماده در معرض نور را ذوب کرده و دی‌اکسید سیلیکون زیر آن را آشکار می‌کنند. یک منظره سه‌بعدی باقی می‌ماند که الگوی طراحی مدار ماسک را تکرار می‌کند.در فرآیند تولید تراشه، حکاکی حذف شیمیایی لایه‌ها از ویفر است و دوپینگ وارد کردن ناخالصی‌ها برای تغییر ویفر است. فرآیند حکاکی و دوپینگ ممکن است صدها بار روی یک تراشه کامپیوتری تکرار شود تا مدارهای مجتمع پیچیده‌تری ایجاد شود.
تراشه‌های کامپیوتری چگونه کار می‌کنند؟
تراشه‌های کامپیوتری با انتقال سیگنال‌های الکتریکی از طریق عناصر مدار کار می‌کنند.
مدارهای مجتمع آنالوگ
مدارهای آنالوگ سیگنال‌های پیوسته و متغیر را در یک دوره زمانی معین منتقل می‌کنند. سیگنال خروجی یک تابع خطی از ورودی با ولتاژهای متناسب مستقیم است. این نوع مدار مجتمع برای عملکرد دستگاه‌هایی مانند تایمرها، مقایسه‌کننده‌ها، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ و تقویت‌کننده‌های عملیاتی استفاده می‌شود. تراشه‌های آنالوگ در مولدهای جاروب، نوسانگرها، تقویت‌کننده‌های صوتی و فیلترها استفاده می‌شوند.
مدارهای مجتمع دیجیتال
مدارهای دیجیتال سیگنال‌های ناپیوسته یا باینری را منتقل می‌کنند. ولتاژ خروجی ممکن است بالا یا پایین باشد. ولتاژ بالا نشان دهنده مقدار بولی ۱ و ولتاژ پایین نشان دهنده مقدار ۰ است.
مدارهای دیجیتال برای انجام عملیات منطقی مختلف مانند AND، OR و NAND طراحی شده‌اند. به عنوان مثال، عملگر منطقی OR مربوط به جمع بولی است و اساس عملیات جمع در کامپیوتر است. بنابراین، مدارهای مجتمع دیجیتال اساس تمام عملیات محاسباتی را تشکیل می‌دهند. آنها برای تمام دستگاه‌های قابل برنامه‌ریزی، بردهای منطقی، میکروکنترلرها و حافظه بسیار مهم هستند.
مدارهای مجتمع سیگنال مختلط
تراشه‌های مختلط عناصری از هر دو تراشه آنالوگ و دیجیتال را ترکیب می‌کنند. طراحی ترکیبی امکان داشتن تراشه‌هایی را فراهم می‌کند که به عنوان مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ و آنالوگ به دیجیتال عمل می‌کنند. این مدارهای مجتمع پیشرفته یکی دیگر از اجزای اصلی محاسبات مدرن هستند.
مدارهای کوانتومی
مدارهای کوانتومی مرحله بعدی تکامل محاسبات هستند. یک مدار کوانتومی یک روال محاسباتی است که مجموعه‌ای از عملیات منطقی کوانتومی را بر روی کیوبیت‌های زیربنایی یا بیت‌های کوانتومی تعریف می‌کند. کیوبیت‌ها توسط ذرات کوانتومی نشان داده می‌شوند که با سیگنال‌های دیجیتال بولی متفاوت هستند. سیگنال‌های بولی ۱ یا ۰ هستند، اما کیوبیت‌ها می‌توانند در یک برهم‌نهی از حالات قرار گیرند. تراشه‌های دارای مدارهای کوانتومی اساس محاسبات کوانتومی را تشکیل می‌دهند که یک فناوری نوظهور است.
انواع تراشه‌های کامپیوتری کدامند؟
تراشه‌های کامپیوتری بر اساس عملکرد به چهار دسته کلی طبقه‌بندی می‌شوند.
تراشه‌های حافظه
تراشه‌های حافظه برنامه‌ها و داده‌ها را در رایانه‌ها و دستگاه‌های ذخیره‌سازی ذخیره می‌کنند. تراشه‌های RAM ذخیره‌سازی موقت را فراهم می‌کنند، در حالی که درایوهای فلش و درایوهای حالت جامد (SSD) می‌توانند اطلاعات را به طور دائم نگهداری کنند. واحدهای حافظه فلش می‌توانند داده‌ها را حتی در صورت خاموش شدن جریان الکتریکی ذخیره کنند.
تراشه‌های منطقی
تراشه‌های منطقی یا پردازنده داده‌ها را برای انجام وظایف پردازش می‌کنند. آنها مغز دستگاه‌های الکترونیکی مدرن هستند. CPUها نوع اصلی تراشه‌های منطقی هستند که در ریزپردازنده‌های سرورها و سایر سخت‌افزارهای محاسباتی یافت می‌شوند. با این حال، تراشه‌های منطقی می‌توانند برای عملکردهای خاص نیز طراحی شوند. در اینجا چند نمونه آورده شده است:
- واحدهای پردازش گرافیکی برای بهینه‌سازی نمایشگرهای بصری طراحی شده‌اند.
- واحدهای پردازش عصبی برای کاربردهای یادگیری عمیق و یادگیری ماشینی طراحی شده‌اند.
ASICها
مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) برای انجام روتین‌های پردازشی تکراری برای یک کاربرد خاص طراحی شده‌اند. این تراشه‌های مدرن در دسته‌های بزرگ برای وسایل تک منظوره مانند اسکنرهای بارکد تولید می‌شوند. مثال دیگر استخراج بیت‌کوین است، جایی که ASICها روتین‌های پیچیده ریاضی مورد نیاز برای تولید بیت‌کوین‌های جدید را انجام می‌دهند.
SoCها
سیستم روی یک تراشه (SoC) نوع جدیدتری از تراشه است. تمام قطعات الکترونیکی مورد نیاز برای یک سیستم کامل در یک تراشه ساخته شده‌اند. قابلیت‌های SoC گسترده‌تر از میکروکنترلرها است. یک میکروکنترلر به طور کلی CPU را با حافظه و پردازش ورودی/خروجی ترکیب می‌کند. با این حال، SoC ممکن است پردازش گرافیک، صدا، دوربین و ویدیو را نیز یکپارچه کند.
