Shrnutí

Vývoj podle spínacího prvku: relé (0. gen.) → elektronky (1. gen.) → bipolární tranzistory (2. gen.) → integrované obvody (3. gen.) → mikroprocesory (4. gen.)

Dnes dominantní: tranzistory MOSFET

Trend: každá generace přinesla zmenšení, zrychlení, nižší cenu a vyšší spolehlivost

Klíč: digitální počítač je vždy postaven na určitém typu spínacího elementu

Počítačový systém: hardware + software (základ = operační systém)

Reprezentace čísel: dvojková soustava, doplňkový kód umožňuje sčítání kladných/záporných stejným obvodem

Instrukce: operační kód + adresní část, různé adresovací režimy

Instrukční cyklus: načtení → dekódování → získání operandů → provedení → zápis výsledku

Paměťová hierarchie: registry → cache → RAM → vnější paměti

Kódování: ASCII/Unicode (UTF-8), parita, Grayův kód

Kombinační obvody: výstup závisí pouze na aktuálních vstupech (bez paměti)

Booleova algebra: umožňuje popis a zjednodušování logických funkcí (De Morganovy zákony)

Základní hradla: AND, OR, NOT; odvozená NAND, NOR, XOR, XNOR

Sčítačky: polosčítačka a úplná sčítačka – základ ALU

MUX/DEMUX: výběr/rozdělení dat podle řídicích signálů

Realizace CMOS: komplementární MOSFETy, NAND/NOR ze 4 tranzistorů

Sekvenční obvody: mají vnitřní stav – výstup závisí i na minulosti

Latch vs. flip-flop: latch reaguje na úroveň, flip-flop na hranu hodinového signálu

Klopné obvody: R-S, D, J-K; D flip-flop je nejpoužívanější

Registry: paralelní (uchování více bitů), posuvné SIPO/PISO

Čítače: synchronní/asynchronní, inkrementace/dekrementace

Praktické použití: paměťové prvky, časování, řídicí obvody

Von Neumann vs. Harvard: dnes převážně hybridní přístup

Části CPU: řadič, ALU/FPU, registry, cache

ISA vs. mikroarchitektura: rozhraní vs. konkrétní realizace (stejná ISA ≠ stejný výkon)

RISC vs. CISC: dnes se hranice stírá (x86 interně převádí na mikrooperace)

Techniky zvýšení výkonu: pipeline, predikce větvení, out-of-order, přejmenování registrů, superskalárnost, SMT, SIMD

Dominantní ISA: x86-64, Arm/AArch64, RISC-V

Strojový kód vs. assembler: assembler = lidsky čitelný zápis, překlad assemblerem

Programátorský model: registry, příznaky, paměťový prostor, instrukční sada

Typy instrukcí: přenos dat, aritmetické, logické, řídicí, zásobníkové, I/O

Intel 8080 příklad: akumulátor A, registry B–L, páry BC/DE/HL, SP, PC

Počet operandů: 0–3; více operandů = méně instrukcí, ale složitější kódování

x86-64: 64bitové registry RAX–R15, RIP, RFLAGS, vektorové registry XMM/YMM/ZMM

Účel: uchování programu a dat (volatilní i nevolatilní)

Parametry: kapacita, přístupová doba, šířka přenosu, chybovost

Paměťová hierarchie: registry → L1/L2/L3 cache → hlavní RAM → vnější paměti

SRAM vs. DRAM: SRAM rychlejší (cache), DRAM hustší/levnější (hlavní paměť), DRAM vyžaduje refresh

Adresování: po bajtech, zarovnávání dat pro efektivitu

Typy: ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash, HDD, SSD, pásky, optická média

Měření výkonu: doba odezvy vs. propustnost, benchmarky (SPEC CPU)

Pipeline: zvyšuje propustnost, řeší konflikty forwardingem/stallingem + predikcí skoků

Paralelismus: ILP, vícejádra, SMT, SIMD/vektorové instrukce

Superskalární/VLIW: snaha maximalizovat počet prováděných instrukcí za cyklus

Koherence & NUMA: důležité u vícejádrových systémů se sdílenou pamětí

Netradiční směry: tok dat, systolické pole, neuronové a kvantové počítače

Sběrnice: komunikační kanál pro přenos adres, dat a řídicích signálů

Typy přenosu: paralelní vs. sériový, synchronní vs. asynchronní, simplex/half/full-duplex

Sdílení média: arbitráž, CSMA/CD, CSMA/CA, multiplexování

Hierarchie: různé nároky → různé sběrnice (rychlostní rozdělení)

Vývoj: FSB → QPI → PCI Express (point-to-point)

Externí rozhraní: USB, bezdrátová propojení, průmyslové sběrnice

Účel: generování obrazu do framebufferu a jeho neustálé obnovování na displeji

Rastr vs. znaková grafika: dnes plný rastr; framebuffer roste s rozlišením a barevnou hloubkou

Anatomie: GPU + videopaměť (GDDR/LPDDR/HBM) + řídicí logika

Dedikované vs. integrované: vlastní paměť/výkon vs. úspora místa/energie

Unified memory: společný adresní prostor CPU–GPU (méně kopírování)

GPGPU: dnes využití i pro AI, výpočty, ray tracing, upscaling (DLSS/FSR/XeSS)

Periferie: vnější zařízení rozšiřující funkce počítače (vstup/výstup/kombinovaná)

Vstupní: klávesnice, polohovací zařízení, čtečky karet/čárových kódů, mikrofony

Výstupní: monitory/displeje, tiskárny (2D i 3D), reproduktory/sluchátka

Kombinovaná: webkamery, multifunkční zařízení

Princip: komunikují přes rozhraní/sběrnice (USB apod.)

Důležitost: bez periferií je počítač prakticky nepoužitelný

Průmysl 4.0: IIoT, digitální dvojče, decentralizace, automatizace

Hierarchie automatizace: úrovně 0–4 (Field/Device → Control → Supervisory → MES/Plant → Enterprise)

Průmyslové sítě: Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP, POWERLINK

Modbus TCP: jednoduchý, ale nevhodný pro tvrdý reálný čas

Průmyslové počítače: odolné vůči teplotě, vibracím, prachu; často bez ventilátoru

Typy: Panel PC, Box PC, Embedded PC, rackové systémy

Schopnost na základě (slabého) podnětu (napětí či proud) spínat větší výkony.

Nebo lze použít jako zesilovač:

malá změna na vstupu → velká změna na výstupu (10x-100x i vícekrát).

po selenu a germaniu nejdéle a dodnes nejšířeji používaný polovodivý prvek

běžně dostupný, jeden z nejběžnějších prvků v zemské kůře

výroba polovodičového křemíku je nicméně dosti náročný proces (čas, energie, suroviny)

obecně až po finální polovodičový čip 600-1200 výrobních kroků

čipy = integrované obvody obsahující jednotky, desítky, spíše však až desítky miliard elementárních prvků (tranzistory, rezistory, diody, evt. kapacitory)

obecně až po finální polovodičový čip 600-1200 výrobních kroků

Získává se křemenný písek s velmi vysokou čistotou.

V pecích se redukuje na technický (metalurgický) křemík pomocí uhlíku.

Dále se chemicky čistí na elektronicky čistý křemík (čistota aspoň 99,9999999 % — tzv. 9N).

Ingot se řeže na tenké plátky (wafers) o tloušťce cca 0,5–1 mm.

Wafers se leští a čistí na atomární úroveň → připravené pro litografii.

Pomocí mikroskopických sond se ověřuje funkčnost čipů přímo na waferu.

Nefunkční čipy se označí → při řezání se vyřadí.

Wafer se řeže na jednotlivé dies (čipy).

Čipy se montují do pouzdra (např. BGA, QFN, LGA) → elektrické propojení přes bondovací drátky, pájecí kuličky apod.

Následuje zalití, chlazení, přidání rozvaděčů tepla.

Ověření elektrických parametrů, výkonu, spotřeby, stabilního chodu.

Čipy se třídí podle kvality a výkonu (tzv. binning).

Nakonec se balí pro distribuci.

Čipy jdou do počítačů, telefonů, aut, routerů, satelitů atd.

Materiál s velkou tvrdostí (na Mohsově stupnici 1-10 hodnota 9,5), "křemíkový korund"

Tradičně se v práškové slisované/spečené formě používá jako brusný materiál (karborundum), do ochranných destiček.

Náhražka diamantu (tvrdost 10) do ložisek

Moderní polovodičový materiál pro výkonové prvky (power semiconductors)

Na rozdíl od brusiva musí být ve formě monokrystalu.

SiC součástky se vyznačují vyšším maximálním závěrným napětím (= snese stovky až tisíce V).

Snesou vyšší proudy (desítky až stovky A).

Lze udělat se stejnými nebo lepšími parametry součástku menší než při použití Si.

Výroba monokrystalu SiC je ovšem značně delší a energeticky náročnější než Si.

Výrazně lepší spínací vlastnosti a vyšší spolehlivost než tradiční křemíkové součástky.

Díky absenci zpětného zotavovacího proudu, teplotně nezávislému spínání a vynikajícím tepelným vlastnostem představuje karbid křemíku novou generaci výkonových polovodičů.

nejvyšší účinnost,

vyšší pracovní frekvenci,

zvýšenou hustotu výkonu,

snížené elektromagnetické rušení (EMI),

zmenšení rozměrů a nákladů na celý systém

produktová řada EliteSiC

tranzistory JFET/MOSFET, Schottkyho diody a napájecí moduly

pro vysokonapěťové a vysokofrekvenční aplikace,

elektromobily, průmyslové pohony, solární invertory a nabíjecí stanice

Obdobně jako u SiC: vynikající elektrické a tepelné vlastnosti,

GaN ideální pro aplikace vyžadující vysokou účinnost, rychlé spínání a kompaktní rozměry:

výkonová elektronika,

vysokofrekvenční zařízení (RF)

optoelektronika (lasery).

CoolGaN™ tranzistory (60—​700 V) s vysokou účinností a rychlým spínáním.

Aplikace: Průmyslové napájecí zdroje, spotřební elektronika, elektromobily.

První výrobce, který začal produkovat GaN čipy na 300mm waferu.