Czy tranzystor jest jedynym elementem elektronicznym w CPU?

Ostatnio czytałem o procesorach i dowiedziałem się, że wszystkie logiczne bloki i pamięć procesora mogą być zbudowane z tranzystorów. Czy to jedyny element elektroniczny w CPU?

Edycja (Wykonane po pierwszych dwóch odpowiedziach): Ale Making of CPU mówi tylko o projektowaniu schematów tranzystorowych (być może to jest główna część). Ale w jaki sposób dodatkowe komponenty, takie jak diody, kondensatory itp. Są dodawane do procesora?

Logiczne bloki i wspomnienia mogą być wykonane tylko z tranzystorów. Ważnym pytaniem jest: czy wszystkie obwody w blokach logicznych procesorów i pamięciach, czy jest coś jeszcze?

Odpowiedź jest, że zawsze są jakieś inne obwody. Oto kilka przykładów:

• Obwody ochronne ESD często wykorzystują diody i oporniki
• Wewnętrzne kondensatory obejściowe : w rzeczywistości można je wykonać tylko z bramek tranzystorowych, ale często są one również wykonane w warstwach metalowych.
• Bloki analogowe, takie jak wewnętrzne regulatory LDO, odniesienia pasmowe, komparatory po resecie zasilania itp., Zwykle najlepiej wdrażać w przypadku niektórych rezystorami wśród tranzystorów. W niektórych przypadkach możliwe jest pozbycie się rezystorów i użycie 100% tranzystorów, ale niekoniecznie jest to optymalne.
• Mogą stosować oscylatory wewnętrzne cewka-kondensator obwodów (LC) zbiornika (choć dławiki są tak duże, że nie są one opłacalne na nowoczesnych procesorach ogólnego przeznaczenia).
• Itd itd.

Myślę, że trzeba na to spojrzeć odwrotnie: procesory są wykonywane etapami (implantacja, litografia, trawienie, osadzanie materiałów). Jeśli projektujesz kroki i warstwy w określony sposób, otrzymujesz parę CMOS (MOSFET typu N po lewej stronie, MOSFET typu P po prawej stronie), przydatne do tworzenia falowników, a następnie uruchamiania całej logiki, aby ostatecznie zbudować wszystkie Bloki logiki procesora.

Ale procesory potrzebują innego rodzaju urządzeń, do ESD lub integracji pamięci lub cokolwiek innego. W tym celu możesz zaprojektować warstwy w inny sposób i uzyskać rezystory (używając warstw polikrzemu lub domieszkowanego podłoża), tworząc długą linię materiału:

To jest sedno tego, co uczyniło technologię płaskiego układu scalonego tak destrukcyjnym pomysłem: z prostych kroków możesz zbudować (prawie) wszystko.

Większość elementów procesora to tranzystory, ale można wykonać inne elementy.

Dioda składa się ze złącza PN lub metalowego złącza półprzewodnikowego o odpowiednim poziomie domieszkowania w półprzewodniku.

Rezystor może być wykonany z długiego paska materiału (możliwe metal na jednej z warstw metalowych, ewentualnie półprzewodnik na warstwie półprzewodnikowej).

Kondensator może być wykonany z dwóch przewodzących materiałów z cienką warstwą izolacyjną pomiędzy nimi (podobną do bramki mosfetu, ale większą).

Problem z rezystorami i kondensatorami polega na tym, że nie ma dobrego sposobu na uzyskanie dużych wartości w układzie scalonym. Często opornik lub kondensator może zajmować ten sam obszar, co wiele tranzystorów. Często jest to tańsze pod względem powierzchni krzemu użycie specjalnego tranzystora zamiast rezystora.

Nie, są też diody, oporniki, kondensatory i cewki indukcyjne, a może i inne.

Ale w jaki sposób dodatkowe komponenty, takie jak diody, kondensatory itp. Są dodawane do procesora?

Możesz tworzyć dowolne elementy elektroniczne tylko z krzemu .

Krzem ma ciekawe cechy. Domieszkowany krzem jest półprzewodnikiem , co oznacza, że ​​może wytwarzać rezystory , ponieważ każdy normalny przewodnik ma rezystancję. Może być nawet używany jako przewody, choć niezbyt wydajny. W praktyce będzie używany polikrzem , na przykład chipy 8087

... składa się z maleńkiej matrycy krzemowej, z obszarami krzemu domieszkowanymi zanieczyszczeniami, aby nadać im pożądane właściwości półprzewodnikowe. Na wierzchu krzemu polikrzem (specjalny rodzaj krzemu) utworzył druty i tranzystory. Wreszcie metalowa warstwa na górze połączyła obwody razem

http://www.righto.com/2018/09/two-bits-per-transistor-high-density.html?m=1

Złożenie półprzewodników NP razem tworzy diodę , ponieważ taka jest struktura diod. Połączenie PNP lub NPN razem tworzy tranzystory . W połączeniu z tlenem staje się dwutlenkiem krzemu, który już nie przewodzi i może być wykorzystany do utworzenia obszaru wokół drutów i elementów przewodzących.

Kondensatory są również bardzo łatwe do stworzenia, tylko izolator (dwutlenek krzemu) jako dielektryk między 2 płytkami przewodzącymi (krzem).

Dzięki tranzystorom, rezystorom i kondensatorom możesz stworzyć opamp, który można następnie wykorzystać do symulacji cewki indukcyjnej bez żadnej cewki, z jeszcze mniejszym zużyciem powierzchni niż prawdziwa cewka indukcyjna. Fajnie, prawda?

Powyżej jest jednym ze sposobów na stworzenie symulowanej indukcyjności. Więcej sposobów na to można znaleźć w poniższych odnośnikach

• Ogólny konwerter impedancji
• Dlaczego wzmacniacze operacyjne zastępują cewki indukcyjne (L) w aktywnych filtrach?
• Utwórz symulowany pływający induktor mocy za pomocą standardowych wzmacniaczy operacyjnych
• Symulowana indukcyjność
• Symulacja indukcyjności z wykorzystaniem opamp, filtrów drugiego rzędu, aproksymacja Butterwortha

Oczywiście, jeśli potrzebujesz większej indukcyjności lub pojemności, być może będziesz musiał użyć oddzielnej zewnętrznej cewki lub kondensatora.

Tak, procesor jest wykonany w całości z tranzystorów i przewodów.

Zależy to od tego, co rozumiesz przez „komponent elektroniczny” i „procesor”. Jeśli ograniczysz to do urządzeń półprzewodnikowych i samego procesora, to tak, procesor składa się z tranzystorów.

Jeśli dołączysz IO, masz kilka tranzystorów wyższego napięcia i diod cęgowych oraz ogniwa zabezpieczające przed wyładowaniami elektrostatycznymi (które mogą używać tranzystorów i / lub diod). Jeśli dopuścisz elementy pasywne, masz druty wykonane z metalu lub polikrzemu. Oczywiście diody mogą być również wykonane z BJT.

Tranzystory i przewody są jedynymi elementami w wielu układach scalonych, w tym w wielu procesorach.

Niektóre mikroprocesory mają inne elementy na tym samym układzie co procesor.

Jeśli dołączysz cały układ, możesz mieć dowolną liczbę komponentów analogowych: diody do pomiaru temperatury, przetworniki analogowo-cyfrowe, regulatory napięcia LDO, oscylatory kryształowe, wzmacniacze czujników pamięci i (być może najczęściej) obwody resetowania po włączeniu zasilania . Wykorzystują one elementy pasywne. Rezystory są najczęstsze i występują w wielu różnych typach:

• Polikrzem - Niska rezystancja, dobra tolerancja, stosowana również do drutów
• N-well - Wysoka odporność, straszna tolerancja i tempco
• Dyfuzja - rodzaj mierny
• Dziwne rzeczy, takie jak ujemne oporniki tempco

Kondensatory są zwykle znacznie większe niż rezystory. Wykonane są ze stosów metal-tlenek-półprzewodnik lub poli-tlenek-poli. Można również użyć pojemności złącza PN lub pojemności między równoległymi drutami w warstwie metalowej.

Cewki indukcyjne są zwykle zbyt duże, aby można je było stosować w obwodach o najwyższej częstotliwości (> 1 GHz). Są wykonane z metalowych spiral.

Istnieją również wyjątkowo specjalne tranzystory, takie jak te używane w pamięci flash i DRAM. To zdecydowanie klasa sama w sobie.

W świecie rzeczywistym nie ma takiego elementu, jak „idealny tranzystor”. Tranzystor jest również rezystorem, kondensatorem, parą diod, diodą Zenera o niskim napięciu itp. Wszystkie te skutki uboczne uczestniczą w pracy procesora, nawet jeśli niektóre z nich mogą być niepożądane (elementy pasożytnicze).

Dlatego procesor nie mógł być wykonany z „idealnych tranzystorów”, ale tranzystory w świecie rzeczywistym można zastąpić innymi potrzebnymi elementami. Jednak w niektórych przypadkach nie jest to optymalne, ponieważ dedykowane rezystory lub kondensatory są prostsze i działają lepiej.