Что такое чип и как он работает
Как работает микрочип
Игорь Гладкобородов
Микрочип состоит из транзисторов. Транзистор — это такой полупроводниковый электроприбор, у которого три электрода, от первого ко второму идет ток в зависимости от того, какое напряжение на третьем.
Вот откуда взялись все эти зеленые нолики и единички в фильмах о компьютерах. Из-за того, что транзисторы работают только с двумя состояниями 0 или 1, все данные в компьютере хранятся в двоичном виде. Мы привыкли к десятичным числам, состоящих из цифр от 0 до 9, а в двоичных числах цифр всего две — 0 и 1. И сосчитать до пяти в двоичных числах можно вот так: 1, 10, 11, 100, 101.
Это чем-то похоже на водопроводный кран: вода течет в зависимости от того, открыта или закрыта заслонка – только вместо воды у транзисторов напряжение, и состояния может быть два — есть напряжение или нет, 0 или 1.
Транзисторы бывают разных типов и используются они в электронике для того, чтобы реализовывать логические операции с ноликами и единичками.
Если мы подключим последовательно два крана к одной трубе, вода потечет только если оба крана включены, получится «логическое И»:
А если подключить два крана параллельно, то вода потечет, если хоть один кран включен, это называется «логическое ИЛИ»:
Транзисторы соединяют друг с другом в разной последовательности для того, чтобы реализовать разные логические операции: И, ИЛИ, НЕ, Исключающее ИЛИ и так далее. Для каждой такой функции придуманы специальные обозначения:
А вот, например, схема устройства, которое складывает два двузначных числа: AB + CD = XYZ
То есть, если на A и на D подать напряжение, то на выходе будет напряжение у Z и Y, а на X напряжения не будет:
AB + CD = XYZ
10 + 01 = 011
Те же самые вычисления можно производить не только на полупроводниковых транзисторах. В огромных шкафах старых аналоговых телефонных станций происходило то же самое, что и в микросхемах, только вместо транзисторов там были обычные электрические реле. А первые компьютеры были вообще механическими и сложные вычисления производились при помощи шестеренок еще в античные времена.
Если к контактам X, Y и Z мы подключим по светодиоду, а к контактам A, B, C и D подключим выключатели, то у нас получится простейший электронный калькулятор.
Микрочип состоит из сотен, тысяч и миллионов таких вот транзисторов, соединенных в одну сеть, потому что есть задачи посложнее, чем сложить два числа: калькулятор, флешка, управление кассовым аппаратом, ядерной электростанцией.
Центральный процессор в компьютере — тоже микрочип, только невероятно сложный. Я пишу этот текст на компьютере под упралением центрального процессора, состоящего из 1,17 миллиарда транзисторов. На этой картинке его увеличенное изображение. Для того, чтобы каждый транзистор в нем был размером хотя бы в один пиксель, надо увеличить ее примерно в 200 раз.
Все данные в цилиндрике под кожей: как люди вживляют себе чипы и для чего они нужны
Люди вживляют себе чипы для разных целей: управление электронными устройствами, доступ к секретным хранилищам или оплата товаров. Разбираемся, как работают разные чипы и зачем люди их используют.
Читайте «Хайтек» в
Что такое микрочип-имплант
Под этим термином понимают любое электронное устройство, которое имплантируют под кожу как человеку, так и животному. Как правило, это идентифицирующее RFID-устройство. Этот тип подкожного имплантата обычно содержит идентификационные данные.
Внешний вид чипов-имплантов напоминает цилиндрик из несодержащего свинца боросиликатного стекла либо биологически нейтрального стекла Schott 8625 на основе натриевой извести. Типичное место для чипа — между указательным и большим пальцем.
Микрочипы, имплантируемые и животным, и людям, не имеют встроенного источника энергии и питаются от внешнего электромагнитного поля. То есть они инертны до тех пор, пока не поднести к ним считывающее устройство — источник ЭМ-поля.
Эти имплантаты часто относят к RFID, но под этим термином есть очень широкий спектр частот, устройств, протоколов и интерфейсов. RFID-устройства делятся на три частотных группы: низкочастотную (125 и 134 кГц), высокочастотную (13,56 МГц), сверхвысокочастотную (UHF) (800–915 МГц).
Чипы для имплантации обычно относятся к первой или второй группе.
Зачем люди вживляют чипы
В июне 2007 года Американская медицинская ассоциация заявила, что «имплантируемые устройства с RFID-метками могут помочь идентифицировать пациентов, это повысит безопасность и эффективность ухода за ними».
Чипы можно использовать для обеспечения безопасного доступа к клинической информации пациента.
В 2016 году JAMM Technologies приобрела чиповые активы у VeriTeQ. Бизнес-план JAMM заключался в партнерстве с компаниями, продающими имплантированные медицинские устройства, и использовании меток RfID для мониторинга и идентификации устройств.
В 2018 году датская фирма BiChip выпустила микрочип-имплант нового поколения, который предназначен для считывания с расстояния и подключения к интернету.
Компания выпустила обновление для своего имплантата, чтобы связать его с криптовалютой Ripple, что позволит совершать платежные операции с помощью микрочипа.
В 2017 году Майк Миллер, исполнительный директор Всемирной ассоциации олимпийцев, обсуждал возможность использования таких имплантатов у спортсменов. Целью была борьба с проблемами, связанными с употреблением допинга.
Теоретически чип с поддержкой GPS может позволить отслеживать людей в режиме реального времени. Такие имплантируемые устройства GPS в настоящее время технически неосуществимы.
Однако если они будут широко использоваться в будущем, имплантируемые GPS-устройства могут позволить властям обнаруживать пропавших людей или скрывающихся от правосудия.
Критики утверждают, что технология может привести к политическим репрессиям, поскольку правительства могут использовать имплантаты для отслеживания и преследования правозащитников, активистов, диссидентов и политических противников.
Современное применение чипов для людей
В Швеции с 2018 года проводится чипирование населения. Микрочипы RFID-чипа могут заменить все бесконтактные карты, ключи и пропуска, нужные человеку в повседневной жизни. Их имплантируют добровольцам, как правило, между указательным и большим пальцами.
Основные свойства встроенного RFID-чипа:
Опасность для здоровья
Associated Press узнало, что имплантированные чипы вызывают рак у сотен лабораторных животных. Онкологи изучили исследования агентства и предупредили, что результаты испытаний на животных необязательно соотносятся с людьми. Однако результаты все равно их обеспокоили.
Сегодня микрочипы настолько безопасны, что могут использоваться для маркировки собак и кошек. Риск заражения ниже, если чип устанавливает опытный специалист по пирсингу с необходимыми инструментами и процедурой обеззараживания.
После установки вокруг чипа может появиться припухлость и даже синяк, которые проходят через несколько дней. Инкапсуляция соединительной коллагеновой тканью занимает 2–4 недели, и в течение двух лет еще может возникать временный зуд или ощущение сдавливания, пока тело заживает вокруг чипа.
Также, как заявляют представители Dangerous Things, чип не чувствуется под кожей, увидеть его можно, только если вы обхватите рукой что-то большое.
При желании, чип легко вытащить: делать это нужно строго в медицинской клинике.
Сохранность личных данных
В 2007 году совет по этическим и судебным вопросам Американской медицинской ассоциации опубликовал отчет, в котором говорится, что микрочипы могут нарушить конфиденциальность пользователей. Информация, содержащаяся в чипе, может быть быть не защищена надлежащим образом.
Опасения вызывает конфиденциальность данных. Однако сторонники технологии утверждают, что гораздо больше данных о повседневной жизни передают мобильные телефоны, Google, Apple и Facebook, чем RFID-имплант.
Теория о том, что кого-то можно отследить с помощью чипа, также нежизнеспособна, ведь в чипах нет GPS. Имплантируемому устройству, имеющему функцию отслеживания, нужен источник питания, который необходимо регулярно менять и перезаряжать.
У современных чипов батарейки нет, так что для считывания данных придется прижать ладонь к считывающему устройству. К тому же сам имплантат должен быть довольно большим, чтобы получать сигнал GPS-спутников и передавать данные позиционирования по сотовой сети, Wi-Fi или еще как-то.
Что такое чип и как он работает
Содержание
История
Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.
В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.
Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.
Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).[1]
Уровни проектирования
В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.
Классификация
Степень интеграции
В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):
В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.
Технология изготовления
Вид обрабатываемого сигнала
Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.
Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.
Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.
Технологии изготовления
Типы логики
Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.
КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где небходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.
Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.
Технологический процесс
При изготовлении микросхем используется фотопроцесс, при этом схему формируют на подложке, обычно из диоксида кремния, полученной термическим оксидированием кремния. Ввиду малости размера элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосы фотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости c рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления.
В 70-х годах ширина полосы составляла 2-8 мкм, в 80-х была улучшена до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы рентгеновского диапазона обеспечивали 0,18 мкм.
В 90-х годах из-за нового витка «войны платформ» экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 90-х процессоры (например ранние Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм. Потом их уровень поднялся до 0,25-0,35 мкм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+,
В конце 90-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с шириной полосы около 0,08 мкм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. Она постепенно продвигалась к нынешнему уровню, совершенствуя второстепенные детали. По обычной технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 0,09 мкм.
Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,045 мкм. Есть и другие микросхемы давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности видеопроцессоры и flash-память фирмы Samsung — 0,040 мкм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы 2006 году так и не сбылись.
Сейчас альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 0,032 мкм.
Контроль качества
Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.
Назначение
Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).
Аналоговые схемы
Цифровые схемы
Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:
Аналогово-цифровые схемы
Серии микросхем
Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.
Корпуса микросхем
Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.
Бескорпусная микросхема — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку.
Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями!
В российских корпусах расстояние между выводами измеряется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. У импортных микросхем расстояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах идентичные корпуса уже несовместимы.
В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.
Специфические названия микросхем
Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel 4004, которая выполняла функции процессора. Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров фирма персональные компьютеры).
Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметико-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем. Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трех микросхем, который получил термин чипсет.
Микропроцессоры со встроенными контроллерами памяти и ввода-вывода, ОЗУ и ПЗУ, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.
Чипы под кожей человека: что это, как работает и для чего используется?
В современном мире технический прогресс шагает семимильными шагами. Смартфоны, умные часы, фитнес-браслеты и подобные гаджеты прочно вошли в нашу жизнь. В последние годы стала развиваться технология чипирования людей, которую мы часто видели в фантастических фильмах о кибернетическом будущем. Рассказываем, что это за технология, и что же ждет нас всех в скором времени.
Чипирование животных практикуется уже несколько десятилетий. Чипы для них являются своеобразными электронными паспортами и дают множество преимуществ. Подобная процедура является обязательной во многих странах.
А что же мы, люди? Примерное число жителей Земли с внедренными в организм чипами 30-50 тыс. Эта процедура распространена в Европе и США. К примеру, в Швеции несколько тысяч чипированных. В России таких людей около 200. У некоторых под кожей находится не один чип, а несколько. В большинстве стран чипирование еще не регулируется законодательно, им в основном занимаются энтузиасты. Цены на чипы варьируются от 30 до 120 долларов.
Для чего применяются подкожные чипы?
На сегодняшний день подкожные чипы в основном используют в повседневности для того, чтобы облегчить жизнь. Не придется больше носить с собой ключи, пропуски или банковские карты и долго искать их: чип всегда с тобой, а точнее в тебе. Потерять его не получится. С помощью чипов одним простым движением руки можно расплачиваться в магазинах и в транспорте, открывать двери квартиры и машины, разблокировать гаджеты. В него можно записать паспортные данные или использовать как цифровую визитку. Некоторые компании вживили своим сотрудникам чипы, позволяющие легко открывать двери офиса, использовать принтеры и оплачивать обед.
Однако этим сфера применения чипа не ограничивается. В будущем их собираются использовать в медицине (например, медицинская карта носителя) и военном деле (например, поиск пропавших солдат). Чипы могут существенно облегчить жизнь людей с ограниченными возможностями. А также очевидно, что с развитием этой технологии, они проникнут и в другие сферы человеческой деятельности.
Что представляет собой чип, и как его устанавливают?
Подкожные чипы безвредны для организма, не нуждаются в подзарядке и могут работать годами. По размеру они обычно чуть больше рисового зерна. Состоят из специальной стеклянной оболочки и микросхемы, которая является небольшой RFID-меткой. Чаще всего чип устанавливают между большим и указательным пальцами руки.
Имплантацию делают под местной анестезией, чип вводят под кожу при помощи специальной толстой иглы. Самостоятельно, без определенных знаний анатомии, этого лучше не делать. Установившие чип говорят, что процедура не особо болезненная и по ощущениям схожа с пирсингом. Также по их словам, чип не мешает и почти не чувствуется, только у некоторых он иногда перемещается под кожей. В случае поломки его можно удалить и заменить.
Могут ли чипы представлять угрозу?
Сразу отбросим теории конспирологов в шапочках из фольги о порабощении человеческого сознания и тотальном контроле над людьми. В этой статье речь не о них.
В действительности опасность могли бы представлять хакеры. Однако сейчас чипы им не интересны: они передают сигнал на очень маленькое расстояние и не содержат важной информации в больших объемах. Для хакеров еще несколько лет куда выгоднее будет взламывать ваш компьютер или телефон. Однако если чипирование продолжит развиваться и выйдет на новый уровень, они могут в нем заинтересоваться, однако прогнозов на будущее мы дать не можем.
В любом случае не стоит бояться чипов. Научно-технический прогресс стремителен и то, что казалось нам странным раньше, теперь считается нормой. Могли ли мы несколько десятков лет назад представить, что будем просыпаться и ложиться в постель с девайсом, заменившим практически всю портативную технику? Так и в будущем вполне возможны подкожные чипы, которые постепенно придут на смену смартфонам!