Mikroelektronika jest obszarem elektroniki, który odnosi się do budowy i działania miniaturowych systemów elektronicznych, umożliwiających współczesnym urządzeniom wykonywanie skomplikowanych instrukcji i uruchamianie programów. Elementy, takie jak mikrokontrolery, mikroprocesory, układy FPGA oraz inne układy scalone do różnych zastosowań są kluczowym elementem takich urządzeń jak m. in. komputery, urządzenia mobilne, odbiorniki GPS, systemy automatyki przemysłowej, decydującym o ich sprawności i wydajności.
Postęp technologiczny pozwala obecnie na budowę komponentów elektronicznych o wymiarach mierzonych w nanometrach (nanometr = jedna miliardowa metra). Oznacza to, że przy budowie elementów elektronicznych o tak małych rozmiarach, wykorzystywana jest mechanika kwantowa. Dziedzina, która wykorzystuje rozwiązania na poziomie pojedynczych atomów lub cząstek w celu budowy układów scalonych wielkości rzędu pojedynczych nanometrów, to nanoelektronika.
Rozwój mikroelektroniki i nanoelektroniki spowodował ogromne przemiany: w przemyśle, gospodarce oraz społeczeństwie. Dzięki produkcji urządzeń, takich jak komputery, telefony komórkowe, automatyka i robotyka przemysłowa możliwe było przeprowadzenie rewolucyjnych zmian w naszej codzienności. Urządzenia elektroniczne obecnie znajdują się praktycznie wszędzie. Najnowsze samochody zawierają w sobie dziesiątki mikrokontrolerów. Mikroprocesory i mikrokontrolery wykorzystywane są również w sprzęcie gospodarstwa domowego. Coraz częściej z mikroelektroniki korzysta również medycyna – oprócz zaawansowanych urządzeń medycznych, układy scalone mogą być komponentem implantów np. aparatów słuchowych.
Podstawowe elementy
Procesor (ang. Central Processing Unit, CPU) – jest to układ scalony, zawierający od kilkudziesięciu milionów do kilkunastu miliardów tranzystorów. Procesor wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne oraz odpowiada za prawidłową współpracę wszystkich modułów funkcjonalnych komputera. Podstawową funkcją procesora jest uruchamianie lub wykonywanie programu.
Program jest sekwencją przechowywanych instrukcji, która jest reprezentowana przez serię liczb przechowywanych w pamięci komputera. Podstawowym zadaniem procesorów jest wykonywanie trzyetapowego procesu: pobierania, dekodowania i wykonywania instrukcji zapisanych w programach.
Mikroprocesory są najnowszą generacją procesorów. Mikroprocesor to pojedynczy układ scalony połączony z zewnętrznymi urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak urządzenia wejścia/wyjścia i jednostki pamięci, w celu wykonania określonego zestawu instrukcji. Współczesne mikroprocesory mogą wykonywać miliardy poleceń na sekundę. Szybkość przetwarzania operacji (rozkazów) zależy również od ilości rdzeni – im więcej rdzeni, tym bardziej wydajna jest praca całego urządzenia. Procesory zawierające dużą liczbę rdzeni pozwalają komputerom na uruchamianie wielu procesów w tym samym czasie z większą łatwością.
Aby możliwe było uruchamianie programów i wykonywanie instrukcji, konieczna jest również pamięć operacyjna (ang. Random Access Memory – RAM), która pełni funkcję nośnika informacji, wykorzystywanego podczas realizacji procesów. Mikroprocesory posiadają również wbudowaną pamięć – cache, czyli podręczną pamięć procesora. Służy ona do przechowywania danych, których na bieżąco potrzebuje CPU.
Istotnym elementem mikroprocesora jest również jednostka arytmetyczno-logiczna (ang. Arithmetic Logic Unit, ALU), która wykonuje operacje z zakresu bramek logicznych (np. AND, OR, XOR, NOT), oraz inne, bardziej skomplikowane czynności.
Mechanizm działania
Procesory, które są dostępne na rynku mogą pełnić te same funkcje, jednak różnią się zasadami działania, które określa architektura zestawu instrukcji. Architektura zestawu instrukcji działa jak interfejs między sprzętem a oprogramowaniem. Stanowi podstawowy zestaw operacji, do których wykonywania został zaprojektowany komputer. Prostym przykładem tego typu instrukcji może być polecenie takie jak dodawanie, mnożenie, ładowanie i przechowywanie danych. W przypadku zainicjowania tego typu polecenia procesor będzie postępował zgodnie z przyjętym schematem – jeśli oczywiście wcześniej zaprojektowano, aby obsługiwał tego typu instrukcję.
Projektowanie architektury zestawu instrukcji dla procesora początkowo polegało na stopniowym rozszerzaniu ich zestawu, przy jednoczesnym komplikowaniu struktury jednostek sterujących. Taki zestaw instrukcji jest powszechnie nazywany CISC (ang. Complex Instruction Set Computer). Podstawowe cechy architektury CISC to:
- Duża liczba instrukcji,
- Większy okres czasu potrzebny do wykonania poleceń
- Występowanie złożonych, specjalistycznych rozkazów,
- Duża liczba trybów adresowania,
- Możliwość odwoływania do pamięci dużej liczby poleceń jednocześnie.
Wykorzystanie architektury CISC pokazało, że istnieje zestaw najczęściej wykonywanych instrukcji. Było to inspiracją do stworzenia odmiennej architektury mikroprocesorów (RISC), której najważniejsze cechy to:
- Liczba rozkazów zredukowana do niezbędnego minimum,
- Redukcja trybów adresowania,
- Ograniczenie komunikacji pomiędzy pamięcią i procesorem,
- Zwiększenie liczby rejestrów.
Na rynku dostępne są procesory z architekturą CISC i RISC. Mikroprocesory Intel i AMD obsługują wyłącznie architekturę zestawu instrukcji x86 (opartą na zasadzie CISC), podczas gdy układy stosowane przez Apple w iPhone’ach i iPadach obsługują wyłącznie architekturę zestawu instrukcji ARM (oparta na zasadzie RISC).
Obecnie coraz większą popularnością cieszy się zestaw instrukcji o otwartym kodzie źródłowym – RISC-V. W przeciwieństwie do większości rozwiązań na rynku, korzystanie z RISC-V, nie wymaga żadnych opłat za użytkowanie. Koncepcja otwartego dostępu do standardu RISC-V powstała na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, jako projekt badawczy Krste Asanović. Z czasem inicjatywa angażowała różne firmy z całego świata w celu umożliwienia rozwoju projektu i upowszechnienia standardu RISC-V.
Powiązanie z innymi technologiami
Projektowanie i tworzenie układów scalonych otworzyło drogę do powstania i wykorzystania większości nowoczesnych technologii. Współczesne urządzenia elektroniczne mogą przetwarzać i przechowywać ogromne ilości danych, co jest kluczowe dla rozwoju praktycznie każdego obszaru gospodarki. Sztuczna inteligencja, Big Data, Data Science, blockchain, chmura obliczeniowa, cyberbezpieczeństwo, internet rzeczy – rozwój wszystkich wymienionych trendów technologicznych umożliwiła właśnie mikroelektronika.
Istotnym wyzwaniem dla mikroelektroniki jest obecnie poszukiwanie odpowiednich materiałów, z których mogłyby powstać elementy elektroniczne. Popularnymi półprzewodnikami są krzem i german, badania dotyczą natomiast wykorzystania stopów różnych metali. Co więcej, ze względu na zbliżanie się do ograniczeń fizycznych w wyniku postępującej miniaturyzacji elementów elektronicznych, istotne stają się również badania nad wykorzystaniem m.in. grafenu i germanenu jako półprzewodników. Prace badawcze z zakresu mikro- i nanoelektroniki dotyczą także poszukiwania nowych technik produkcji podzespołów elektronicznych oraz możliwości efektywnego wykorzystania baterii słonecznych do zasilania prostych układów scalonych.
Znaczenie dla gospodarki
Osiągnięcia z zakresu mikro- i nanoelektroniki znajdują zastosowanie praktycznie w każdym obszarze gospodarki oraz mają ogromny wpływ na jakość życia ludzi. Można wymienić nieskończoną liczbę zastosowań tych technologii, jednak warto wymienić przede wszystkim następujące branże i dziedziny życia:
- Elektronika konsumencka – telewizory, laptopy, urządzenia mobilne i wiele innych urządzeń wykorzystujących mikroprocesory pełnią różnorodne role w codziennym życiu ludzi.
- Przemysł motoryzacyjny – mikroelektronika odegrała kluczową rolę w rozwoju zaawansowanych systemów kontroli silnika, układów bezpieczeństwa, nawigacji, systemów komunikacji i rozrywki w pojazdach. Również działanie samochodów autonomicznych opiera się na wykorzystaniu zaawansowanej mikroelektroniki.
- Medycyna – mikroelektronika pozwala na produkcję różnych, zaawansowanych urządzeń, które służą do monitorowania i kontrolowania różnych funkcji życiowych.
- Przemysł lotniczy i kosmiczny – mikroelektronika jest niezbędna do sterowania i monitorowania systemów lotniczych, rakiet, satelitów i innych urządzeń.
- Energia odnawialna – kontrolery i inwertery zastosowane w panelach fotowoltaicznych, wiatrakach i innych systemach odnawialnych źródeł energii opierają się na mikroelektronice.
- Telekomunikacja – telekomunikacja opiera się na zaawansowanej mikroelektronice, zarówno w sieciach przewodowych, jak i bezprzewodowych.
- Przemysł zbrojeniowy – mikroelektronika jest wykorzystywana w zaawansowanych systemach komunikacyjnych, radarach, dronach i uzbrojeniu. To pomaga w zwiększeniu zdolności obronnych i strategicznych.
- Automatyzacja i robotyzacja – mikroelektronika jest niezbędna w automatyce przemysłowej i robotyce, pozwalając na precyzyjne sterowanie robotami przemysłowymi, manipulatorami, i systemami sterowania procesami produkcyjnymi.
- Przemysł elektroniczny – sam proces produkcji układów scalonych i komponentów mikroelektronicznych jest kluczowym sektorem przemysłu elektronicznego.
- Biotechnologie – mikroelektronika i nanoelektronika umożliwiają rozwijanie zaawansowanych narzędzi do badania i manipulacji materiałów biologicznych na poziomie molekularnym.
- Budownictwo inteligentne – mikroelektronika jest używana w systemach zarządzania budynkami, co pozwala na oszczędność energii i zwiększanie bezpieczeństwa.
- Bezpieczeństwo cyfrowe – mikroelektronika i nanoelektronika przyczynia się do rozwijania zaawansowanych systemów zabezpieczeń cyfrowych, takich jak kryptografia kwantowa i technologie identyfikacji biometrycznej.
- Przemysł filmowy – zaawansowana mikroelektronika jest wykorzystywana w produkcji efektów specjalnych, animacji komputerowych, kamer 3D i innych technologii związanych z przemysłem filmowym.
- Technologie wearable – mikroelektronika pozwala na rozwijanie coraz bardziej zaawansowanych technologii, takich jak okulary rozszerzonej rzeczywistości, biometryczne opaski fitness i inne urządzenia śledzące zdrowie i aktywność.
Patrz także:
- Tag „elektronika” na stronie FPPP
- Artykuł, dotyczący architektury RISC-V: link
- Słownik FPPP:
- układ scalony
