Физические основы вычислительной техники

Специальность: Прикладная математика и информатика

Содержание дисциплины направлено на изучение физических явлений и процессов, которые реализуются в элементах современной вычислительной техники при записи, передаче, обработке и воспроизведении информации.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: пределы применимости классической физики при рассмотрении физических явлений в современной ВТ; новый (квантовомеханический) подход к объектам нанотехнологии; возможности достижений физики, определяющие прогресс в вопросах обработки информации (ферромагнетики, полупроводники, лазеры, волоконная оптика).
Уметь: строить простейшие модели для исследования микрообъектов (учет ограниченности, симметрии, конечности времени жизни); решать типовые задачи квантовой механики (в пределах тематики курса).
Владеть: представлениями об основных элементах вычислительной техники, их характеристиках, и взаимодействии в процессе приёма, хранения, обработки и передачи информации. Иметь представление о физических процессах и явлениях, реализованных в различных устройствах ВТ.

Содержание

1. Введение в курс. Закон развития Мура. Планарная технология Большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС. Полупроводниковые материалы для элементной базы вычислительной техники.
2. Основы теории электропроводности . Классическая теория электропроводности металлов. Необходимость введения квантовомеханического подхода для описания электронных состояний. Основные понятия и принципы квантовой механики. Волны де Бройля, соотношение неопределённости. Уравнение Шрёдингера .Волновая функция. Состояния частицы в одномерной потенциальной яме. Сферическая симметрия. Момент импульса и спин. Электрон в кулоновом поле. Электронные состояния атомов. Теория возмущений и квантовые переходы. Типы химической связи Электрон в периодическом поле. Зонная структура твёрдого тела.
Проводники, полупроводники и диэлектрики. Квазичастицы в теории твёрдого тела. Распределение Ферми-Дирака. Энергия Ферми Электроны и дырки .Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводники n- и p-типа. Легирование полупроводников.
3.Диоды.Кинетика носителей заряда в металлах и полупроводниках . Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление p-n –переходов. Типы и характеристики полупроводниковых диодов. Контакт металл- полупроводник. Диоды Шоттки.
4.Транзисторы.Взаимодействие двух близкорасполо¬женных электронно-дырочных переходов. Биполярные транзисторы. Схемы включения. Ключевой режим работы и быстродействие биполярных транзи¬сторов.
5.Физическая реализация представления и обработки информации в ЭВМ.Аналоговая и циф¬ровая обработка информации. Физическое представление информации в ЭВМ . Основные харак¬теристики логических элементов. Семейства логических схем и их совместимость.
6. Системный блок.. Мультипроцес¬сорные и многоядерные конфигурации. Специализированные МП. Обобщенная структура системного блока: микро¬процессор (МП), память, шина. Архитектура и внутренняя магистраль МП. Основные характеристики МП: технология изготовления, напряжение пита¬ния, тактовая часто¬та, объем адресуемой памяти, разрядность шины данных, , количество и разрядность регистров. 7.Запоминающие устройства. Триггер и конденсатор, как элемент памя¬ти. Ячейка памяти и ее адрес. Статическое оперативное запоминающее уст¬ройство (СОЗУ). Динамическое опера¬тивное запоминающее устройство (ДОЗУ). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Флэш-память
8.Интерфейсы ввода-вывода. Функции интерфейса ввода-вывода. Инфор¬мационная, электрическая и конструктивная совместимость. Устройство типичного интерфейса. Стан-дарты связи. Модем
9.Внешняя память на магнитных носителях.Магнетизм. Магнитные материалы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Кривая намагниченности ферромагне-тиков. Температура Кюри. Доменная структура. Принципы записи и считы¬вания информации на магнитных носителях. Предельная плотность записи и скорость доступа к за¬писанной информации.
10.Внешняя память с использованием оптики. Использование оптических явлений для повышения плотности записи информации на магнитных носителях. Магнитооптика. CD и DVD диски.
11.Устройства ввода-вывода информации. Принципы отображения визуальной информации. Алфавитно-цифровые и графические (аналоговые) мониторы. Электронно-лучевая трубка. Плоские мониторы - жидкокристаллические (LCD) дис¬плеи, плазменные (газоразрядные PDP) мониторы, дисплеи с излучающим полем (FED).
12.Физические и технические характеристики линий связи между ЭВМ. Ввод и вывод цифровой и аналоговой ин¬формации. Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП). Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Понятие о цифровом методе хранения и передачи аналоговой информации. Предельная скорость передачи инфор¬мации.
13.Возможности развития ЭВМ. Предельные размеры, быстродействие и энергозатраты. Вычисления в классической и квантовой физике. Биты и кубиты. Квантовые алгоритмы. Перспективы реализации квантовых компьютеров.

Литература

а) основная литература
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т.3. М.: Наука, 1979. -304 с. Левич В.Г. и др. Курс теоретической физики. М.: Гос. издательство физ .мат. литературы. !998.
2. Аваев Н.А. и др. Основы микроэлектроники. Уч. пособие. М.: Радио и связь. 1991.
3. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М: Радио и связь.1990.
4. Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника. М.: Радио и связь. 1989. Тутов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат. 1990.
5. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. М.: Радио и связь. 1987.
6. Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир. 1982.
б) дополнительная литература
1. Многообразие типов видеопамяти (www.ixbt.com/video/newvideomem.html).
2. Внешняя память (www.junior.ru/wwwexam/Pamiat2.htm
3. Хранение информации на жестких дисках (www.ixbt.com/storage/boot-manl.shtml).
4. Магнитные носители: бесконечное хранение информации (www.ixbt.com/ storage/ storage-tech.shtml).
5. Отображение информации в мониторах (http://hawks.ha.md.us/hardware/ monitors.html).
6. Жидкокристаллические дисплеи. История, принципы работы, преиму¬щества и недостатки (www.compuferra.ru/online/video/4934/).
7. «Энциклопедия персонального компьютера», «Кирилл и Мефодий» (www.km.ru/base/ Pc/index.asp).
8. Техническая энциклопедия (www.techweb.com/encyclopedia).

Отчетность

Семестр 7: Зач