Материалы курса
- Лекция 1. Введение в курс
Компьютер и информация: некоторые определения и история развития вычислительной техники, поколения компьютеров и их элементная база. Экспоненциальное развитие и закон Мура. Роль полупроводниковых (ПП) материалов в элементной базе современных ЭВМ. Преимущества сверхбольших интегральных схем (СБИС) перед дискретными компонентами. Технологическая база СБИС и степень интеграции. Фотолитография. Воспроизводимость параметров и минимальный топологический размер. Основные направления развития СБИС: кремниевые МОП структуры, арсенид - галлиевые и металл - полупроводниковые структуры. Перспективы развития микроэлектроники.
- Компьютер
- История вычислительной техники
- История создания вычислительных машин
- Персональный компьютер
- Компьютеры пятого поколения
- Информация
- Единицы измерения количества информации
- Хронология развития теории информации
- Теория информации
- Информационная энтропия
- Собственная информация
- Закон Мура
- Тайны Закона Мура
- Сорокалетие закона Мура и интервью с его автором
- Диэлектрик
- Металлы
- Полупроводник
- Элементарный электрический заряд
- Статистика Максвелла-Больцмана
- Постоянная Больцмана
- Зонная теория
- Биполярный транзистор
- МОП структура
- Кремний
- Микроэлектроника
- Интегральная схема
- Фотолитография
- Intel представила 22-нм чипы
- Арсенид галлия
- Лекция 2. Физические основы электропроводимости металлов и полупроводников
Краткие сведения из квантовой механики. Электроны, волны де Бройля, соотношение неопределенностей, волновая функция. Спектр электронных состояний в атомах, молекулах и кристаллах. Частица в одномерной потенциальной яме. Спектр электронных состояний атома водорода и многоэлектронных атомов. Квантовые переходы. Виды химической связи. Понятие о зонной структуре. Принципы разделения веществ на проводники (металлы), полупроводники и изоляторы (диэлектрики). Электропроводность твердых тел. Модель электронного газа. Квантовая модель электропроводности. Трехмерный ящик. Энергия Ферми. Плотность энергетических состояний. Распределение Ферми. Электроны и дырки. Концентрация электронов в зоне проводимости. Собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводники n- и p-типа. Положение уровня Ферми в электрически нейтральном полупроводнике. Технологии легирования полупроводников.
- Лекция 3. Элементы физики полупроводников. Полупроводниковые диоды
Диффузия и дрейф свободных носителей заряда в металлах и полупроводниках. Закон Ома, длина свободного пробега и подвижность. Уравнение непрерывности. Электронно-дырочные переходы и их характеристики. Высота потенциального барьера. Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление p-n-переходов. Барьерная и диффузионная емкости. Полупроводниковые диоды. Быстродействие полупроводниковых диодов. Типы полупроводниковых диодов. Контакт металл-полупроводник, диоды Шоттки. Омические контакты.
- Лекция 4. Биполярные и полевые транзисторы
Взаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов. Биполярные транзисторы. Основные схемы включения биполярных транзисторов. Усиление тока и напряжения. Усилитель мощности. Особенности ключевого режима работы транзистора и его быстродействие. Транзисторы, изготовленные по планарной технологии. Многоэмитерные транзисторы. Полевые транзисторы. Металл-оксид-полупроводник МОП (МДП) структуры с изолированным затвором и их быстродействие.
- Лекция 5. Элементная база современных ЭВМ
Аналоговое и цифровое представление информации. Физическое представление информации в компьютере. Двоичный код. «Высокое» и «низкое» состояния логических схем. Позитивная и негативная логики. Ключевой режим работы коммутирующего элемента. Реализация элементарных логических функций. Основные характеристики логических элементов. Семейства логических схем, Потребляемая мощность, время задержки распространения, энергия переключения, напряжение питания, коэффициент разветвления по выходу. Понятие о помехоустойчивости логического элемента.
- Лекция 6. Системный блок ЭВМ
Архитектура фон Неймана и обобщенная структура системного блока: микропроцессор (МП), память, шина. Основные характеристики МП: технология изготовления, напряжение питания, объем адресуемой памяти, разрядность шины данных, тактовая частота, разрядность регистров. Цикл МП и его фазы. Взаимодействие МП и ОЗУ. Способы обмена информацией между МП и внешними устройствами: синхронный, асинхронный и полусинхронный. Режимы работы процессора: прерывание, прямой доступ к памяти, ожидание. Шины и их основные характеристики (ISA, VESA, AGP, PCI, PCI-E). Мультиплексирование. Северный и южный мост. Мультипроцессорные и многоядерные конфигурации. Специализированные МП.
- Лекция 7. Полупроводниковые запоминающие устройства
Конденсатор и триггер - простейшие ячейки памяти. Энергозависимая и энергонезависимая память. Классификация ПП запоминающих устройств. Характеристики памяти: стоимость, емкость, быстродействие, потребляемая мощность, возможность доступа. Статическое и динамическое оперативное запоминающее устройство (СОЗУ и ДОЗУ). Характеристики и принципы работы. Организация, контроль работоспособности и методы регенерации ДОЗУ. Применение СОЗУ и ДОЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы развития. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Элементы на основе структур с плавающим затвором. Стирание информации УФ излучением и электрическим полем. Применение ПЗУ в ЭВМ. Сравнительные характеристики и перспективы развития ПЗУ. Flash-память.
- Лекция 8. Интерфейсы ввода-вывода
Функции интерфейса ввода-вывода. Информационная, электрическая и конструктивная совместимость. Устройство типичного интерфейса. Методы доступа FIFO и LIFO. Функциональная и управляющая части интерфейса. Контроль паритета. Последовательный и параллельные интерфейсы. Дуплексная и полудуплексная, синхронная и асинхронная связь. Основные характеристики некоторых универсальных интерфейсов: RS232, CENTRONICS, USB, FireWire. Некоторые специализированные интерфейсы: PATA, SCSI, SATA.
- Лекция 9. Внешняя память в ЭВМ
Магнетизм. Магнитные материалы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Кривая намагниченности ферромагнетиков: мягкие и жесткие ферромагнетики. Температура Кюри. Доменная структура. Принципы записи и считывания информации на магнитных носителях. Типы магнитных носителей и магнитных головок. Предельная плотность записи и скорость доступа к записанной информации. Продольная и поперечная запись информации.
- Магнетизм
- Магнит
- Магнитное поле
- Напряжённость магнитного поля
- Магнитная индукция
- Закон Ампера
- Электромагнитная индукция
- Магнитный момент
- Электромагнит
- Магнитная проницаемость
- Намагниченность
- Вектор намагничивания
- Диамагнетики
- Парамагнетики
- Ферромагнетики
- Домен
- Точка Кюри
- Остаточная намагниченность
- Гистерезис
- Антиферромагнетики
- Точка Нееля
- Магнитофон
- Компакт-кассета
- Стример
- Дискета
- Жёсткий диск
- 50 лет жестким дискам
- HDD будущего
- TDK освоила 1 терабит на квадратный дюйм
- 2,4 Тбит на квадратный дюйм к 2014 году
- Термоассистируемая магнитная запись
- Суперпарамагнетизм
- Магнетосопротивление
- Магниторезистивная оперативная память
- Лекция 10. Внешняя память в ЭВМ
Использование оптических явлений для повышения плотности записи информации на магнитных носителях. Магнитооптика. «Чисто» оптическая память - компакт диск (CD). Физические процессы и предельная плотность записи информации в оптике. Записываемые (R) и перезаписываемые (RW) CD и DVD диски. Blu-ray и HD-DVD технологии. Трехмерная (3D) оптическая память и голография: фоторефрактивные и фотохромные материалы, голографический диск (HVD). Молекулярная память.
- Лекции по оптике - В.Г.Архипкин, Г.С.Патрин
- Лазер
- Лазерный диод
- Магнитооптический диск
- Эффект Керра
- MO - неувядающий интерес
- Компакт диск
- CD-R
- CD-RW
- DVD
- Оптические накопители - DVD наступают
- DVD - диски, проигрыватели, рекодеры
- Blu-ray диск
- DVD нового поколения - война форматов продолжается
- Трехмерный диск
- Голография
- Голографические диски - будущее наступит завтра
- Диск на 500 ГБ обещают через 2 года
- Разработан доступный диск емкостью 1,6 ТБ
- Память современных компьютеров
- Лекция 11. Связь ЭВМ с внешней средой: ввод и вывод информации
Ввод и вывод цифровой и аналоговой информации. Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП). Погрешности ЦАП. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Погрешности АЦП. Понятие о цифровом методе хранения и передачи аналоговой информации. Ввод оптического изображения в ЭВМ, приборы с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-камера (CCD). Принципы отображения информации на твердом носителе - принтеры и плоттеры. Алфавитно-цифровые и графические принтеры. Матричные, струйные, лазерные и светодиодные принтеры. Цветная печать.
- Цифровая обработка сигналов
- Квантование
- Теорема Котельникова
- Частота Найквиста
- Дискретизация
- Частота дискретизации
- Шум квантования
- Аналого-цифровой преобразователь
- Цифро-аналоговый преобразователь
- От аналогового к цифровому
- FAQ по цифровому представлению звуковых сигналов
- Приборы с зарядовой связью - прецизионный взгляд на мир
- Рассуждения о телевизионных камерах
- Ликбез - технологии в видеокамерах
- Как работает принтер - обзор технологий печати
- Cовременные способы компьютерной печати 1
- Cовременные способы компьютерной печати 2
- Лекция 12. Связь ЭВМ с внешней средой: вывод визуальной информации
Принципы отображения визуальной информации. Алфавитно-цифровые и графические (аналоговые) мониторы. Электронно-лучевая трубка. Физические процессы в ЭЛТ: термоэлектронная эмиссия, электростатическое ускорение и фокусировка, люминесценция. Формирование изображения: строчная и кадровая развертки. Отображение информации о цвете. Плоские мониторы - жидкокристаллические (ЖК) дисплеи (LCD), плазменные (газоразрядные) мониторы (PDP), дисплеи с автоэлектронной эмиссией (FED) и углеродные наноструктуры, дисплеи на органических светодиодах (OLED) и электронная бумага. Стереоскопическое отображение информации и 3D дисплеи (голография).
- Дисплей
- Монитор
- Электронно-лучевая трубка
- Перспективные технологии дисплеев
- Плазменная панель
- Field emission display
- Surface conduction electron Emitter Display
- Немного о SED-дисплеях
- Жидкие кристаллы
- ЖК дисплей
- Жидкокристаллические дисплеи - История, принципы работы, преимущества и недостатки
- Холестерические жидкие кристаллы
- Электронная бумага
- Дисплеи на электронных чернилах - обзор и перспективы технологии
- Органический светодиод
- Технология LDT
- Обзор существующих технологий по 3D-видению
- Современные технологии дисплеев объемного изображения
- Лекция 13. Связь ЭВМ с внешней средой: линии связи между ЭВМ
Методы кодирования информации: амплитудная, фазовая, частотная и другие типы модуляции. Виды распределенных линий для разных диапазонов частот. Двухпроводная (многопроводная) линия, и радиоканал. Телеграфное уравнение. Скорость распространения сигналов в линии. Волновое сопротивление. Согласование линии с нагрузкой. Модем. Передача данных через телефонные линии связи. Коаксиальный кабель и витая пара. Оптические волокна и волоконно-оптические кабели. Распространение света по оптическим волокнам. Оптические моды, дисперсия мод, критическая длина волны. Градиентные волокна, волокна со ступенчатым профилем показателя преломления. Оптические передатчики и приемники: свето- и фотодиоды, полупроводниковые лазеры Предельная скорость передачи информации. Оптические солитоны.
- Связь
- Аналоговый сигнал
- Модуляция
- Амплитудная модуляция
- Частотная модуляция
- Фазовая модуляция
- Цифровая связь
- Амплитудная манипуляция
- Частотная манипуляция
- Фазовая манипуляция
- Демодуляция
- Линия передачи
- Длинная линия
- Телеграфное уравнение
- Волновое сопротивление
- Скорость передачи информации
- Сжатие данных
- Обнаружение и исправление ошибок
- Криптография
- Телеграф
- Азбука Морзе
- Электрический телеграф
- Коаксиальный кабель
- Витая пара
- Модем
- Digital subscriber line
- Радио
- Радиорелейная связь
- Сотовая связь
- Спутниковая связь
- Беспроводной модем
- Оптический телеграф
- Оптоволоконная связь
- Внутреннее отражение
- Оптическое волокно
- Волоконно-оптические линии связи
- Лекция 14. Перспективы развития ЭВМ и квантовые компьютеры
Проблемы развития ЭВМ, нанотехнологии и новые материалы: «напряженный» кремний, супер-диэлектрики, GaAs, InP, углеродные нанотрубки и наноструктуры, молекулярные кристаллы. Реализация устойчивых одно- и многоэлектронных состояний в различных системах. Когерентность состояний. Предельные размеры, быстродействие и энергозатраты. Вычисления в классической и квантовой физике. Биты и кубиты. Квантовые алгоритмы. Области применения. Как построить квантовый компьютер: ионные ловушки, ЯМР, поверхностные наноструктуры. Разрушение когерентности как источник ошибок при квантовых вычислениях и их коррекция. Перспективы реализации квантовых компьютеров.
- Intel от нанотехнологий и до 2011 года - кремний не выдержит
- IT-байки - Электроника будущего - бумажная, органическая, фотонная
- IT-байки - Про IBM и квадриллионы байт в спичечном коробке
- IT-байки - Наномир вторгается в микросхемы
- Кремний на изоляторе
- Германиевая электроника для 16-нм микросхем
- IT-байки - Нанотрубки - будущее электроники
- IT-байки - На ближних подступах к эре графеновой электроники
- Графен
- Углеродные нанотрубки
- IT-байки - Искусственная ДНК - кандидат на замену кремнию
- Биомолекулярная электроника
- ДНК компьютер
- Квантовая сцепленность
- Редукция фон Неймана
- Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
- Кот Шрёдингера
- Квантовая телепортация
- Экспериментально подтверждена квантовая телепортация на расстояние в один метр
- Квантовый компьютер
- Квантовый параллелизм
- Кубит
- Алгоритм Дойча-Джоза
- Алгоритм Шора
- Алгоритм Гровера
- Задача Фейнмана
- Квантовое сверхплотное кодирование
- Квантовая криптография
- Квантовые транзисторы, нанооптика
- Оптический компьютер
- Оптические нейронные сети
- Нейрокомпьютер
- Оптические процессоры - Достижения и новые идеи