Elektronika asoslari va tranzistor
Butun kompyuterning asosida bitta g'oya yotadi: signal bilan boshqariladigan kalit. Rele buni mexanik usulda, tranzistor esa elektr maydoni bilan qiladi.
Bitlar qanday qilib fizik jihatdan mavjud bo'ladi? Buning uchun bir nechta elektr tushunchalarini eslab o'tamiz. Kuchlanish (U, volt) — elektronlarni harakatga keltiruvchi "bosim". Tok kuchi (I, amper) — o'tkazgichdan o'tayotgan elektronlar oqimi. Qarshilik (R, om) — materialning tokka qarshiligi. Ular Om qonuni bilan bog'langan: U = I × R. Suv quvuriga o'xshatsak: kuchlanish — suv bosimi, tok — oqim miqdori, qarshilik — quvurning torligi.
3.1. Yarimo'tkazgichlar
Mis kabi metallar tokni yaxshi o'tkazadi, shisha yoki rezina esa umuman o'tkazmaydi. Kremniy (Si) esa oraliq holatda — u yarimo'tkazgich. Uning ajoyib xususiyati shundaki, unga ozgina boshqa element (fosfor yoki bor) qo'shilsa — bu jarayon legirlash deyiladi — o'tkazuvchanligini aniq boshqarish mumkin bo'ladi. Fosfor qo'shilgan kremniyda ortiqcha elektronlar bo'ladi (n-tip), bor qo'shilganda esa elektron yetishmaydigan "teshiklar" paydo bo'ladi (p-tip). Shu ikki turni yonma-yon joylashtirish orqali tokni bir tomonga o'tkazadigan yoki signal bilan boshqariladigan qurilmalar yasaladi.
3.2. Rele — tranzistorning "bobosi"
Elektr bilan ishlagan odam uchun eng tushunarli o'xshatish — elektromagnit rele. Relening g'altagiga kichik tok berilsa, u magnitga aylanib, kontaktni tortadi va boshqa, kattaroq zanjirni ulaydi. Ya'ni bitta elektr signali boshqa elektr signalini boshqaradi. Aynan shu g'oya — "signal bilan boshqariladigan kalit" — butun kompyuterning asosida yotadi. 1940-yillardagi dastlabki kompyuterlar (masalan, Harvard Mark I) minglab relelardan yasalgan edi. Muammo shundaki, rele mexanik — u sekin (sekundiga ~100 marta ulanadi), shovqinli va tez yeyiladi.
3.3. MOSFET tranzistor
Zamonaviy protsessorlarda MOSFET (metall-oksid-yarimo'tkazgich maydon tranzistori) ishlatiladi. Uning uchta ulanishi bor: Source (manba), Drain (to'kish) va Gate (darvoza). Gate juda yupqa izolyator qatlam bilan kremniydan ajratilgan. Gate'ga kuchlanish berilganda, uning ostidagi kremniyda elektr maydoni o'tkazuvchi kanal hosil qiladi va Source bilan Drain orasida tok oqa boshlaydi. Kuchlanish olinsa, kanal yo'qoladi va tok to'xtaydi.
Demak tranzistor ham rele kabi kalit, lekin harakatlanuvchi qismi yo'q. U sekundiga milliardlab marta ulanib-uzilishi mumkin, o'lchami esa 3-5 nanometr. Taqqoslash uchun: odam sochining qalinligi ~80 000 nanometr. Bitta tirnoq o'lchamidagi chipga o'n milliardlab tranzistor sig'adi.
Tranzistorlarning ikki turi bor: nMOS (gate'ga 1 berilganda ochiladi) va pMOS (gate'ga 0 berilganda ochiladi). Ularni juft-juft ishlatish texnologiyasi CMOS deb ataladi. CMOS'ning afzalligi — sxema holati o'zgarmayotganda deyarli tok sarflanmaydi. Shu tufayli telefoningiz batareyasi butun kun chidaydi.
3.4. Chip qanday yasaladi
Mikrochiplar juda toza kremniydan (99.9999999%) yasaladi. Kremniy kristali o'stiriladi, yupqa disklarga — vafli (wafer)larga kesiladi. So'ng fotolitografiya jarayonida vafliga yorug'likka sezgir modda surtiladi va maxsus niqob orqali ultrabinafsha nur tushiriladi — xuddi fotoplyonkaga surat tushirgandek. Eng zamonaviy uskunalar (ASML kompaniyasining EUV mashinalari) 13.5 nm to'lqin uzunlikdagi nurdan foydalanadi. Bu jarayon yuzlab marta takrorlanib, qavatma-qavat tranzistorlar va ularni ulovchi mis simlar hosil qilinadi. Bitta vafli ustida yuzlab chip bo'ladi, ular kesilib, sinovdan o'tkaziladi va korpusga joylanadi. Butun jarayon 2-3 oy davom etadi va changdan million marta toza xonalarda amalga oshiriladi.