- Регистрация
- 23 Август 2023
- Сообщения
- 3 709
- Лучшие ответы
- 0
- Реакции
- 0
- Баллы
- 243
Offline
Известная ткачиха Мэрилу Шульц из племени навахо недавно закончила сложный ковёр, состоящий из толстых белых линий на чёрном фоне, испещрённых красновато-оранжевыми ромбами. Хоть это творение может показаться абстрактным, в нём представлена внутренняя схема крошечного кремниевого чипа таймера 555. Этот чип имеет сотни областей применения, от звукового генератора до контроллера автомобильных дворников. Когда-то 555 был самой продаваемой в мире интегральной схемой, счёт шёл на миллиарды устройств. Но как чип превратился в ковёр?
«Популярный чип», Мэрилу Шульц
Чип 555 состоит из крошечного куска кремния со слоем металлических проводников поверх него. На ковре эти проводники представлены толстыми белыми линиями, а кремний образует чёрный фон. По периметру ковра расположены красновато-оранжевые ромбы, соответствующие соединениям между чипом и восемью контактами. Создают эти соединения крошечные золотые проводники, прикреплённые к квадратным площадкам чипа. Схема чипа 555 содержит 25 транзисторов (кремниевых устройств, способных включаться и отключаться). В рисунке ковра выделяются три крупных транзистора (закрашенные квадраты с паттерном 王 внутри), а остальные транзисторы представлены небольшими точками.
Источником вдохновения для создания ковра стала фотография кристалла таймера 555, созданная Антуаном Берковичи (Siliconinsider); я предложил Мэрилу Шульц это фото в качестве возможной темы для ковра. На схеме ниже показано сравнение ковра (слева) с фотографией кристалла (справа). Как можно увидеть, плетение очень близко к реальному чипу, но присутствуют незначительные художественные различия. Например, были удалены две контактные площадки и серийный номер, упрощены цепи в верхней части.
Антуан сделал снимок при помощи темнопольного микроскопа — особого типа микроскопа, создающего изображения на чёрном фоне. На этом снимке выделяется металлический слой поверх кристалла. Для сравнения ниже показано изображение, созданное стандартным светлопольным микроскопом. При производстве чипа области кремния легируются примесями для создания транзисторов и резисторов. Эти области видны на изображении ниже, как небольшие изменения цвета кремния.
В плетении ковра конструкция чипа выглядит почти монументальной, из-за чего можно и забыть, что сам чип имеет микроскопические размеры. Я приобрёл версию чипа в круглом металлическом корпусе вместо традиционного прямоугольника из чёрного пластика. Срезав верхушку металлического корпуса, можно увидеть внутри крошечный чип с восемью золотыми проводниками, соединяющими кристалл с ножками корпуса. Если приглядеться, можно заметить три крупных транзистора.
Художница Мэрилу Шульц занимается плетением ковров-чипов с 1994 года, когда компания Intel поручила ей изготовить ковёр по мотивам процессора Pentium в качестве подарка научно-инженерному обществу коренных американцев AISES (American Indian Science & Engineering Society). Хотя Шульц изучала ткацкое дело с детства, ковёр Pentium стал для неё сложной задачей из-за сложного паттерна и отсутствия симметричности; за день работы размер ковра мог увеличиться всего на дюйм. Этот потрясающий ковёр был изготовлен из шерсти длиннорогих овец навахо-чурро и окрашен традиционными растительными красителями.
«Реплика чипа», Мэрилу Шульц, 1994 год
Готовясь к изготовлению ковра чипа 555, Шульц экспериментировала с различными материалами. Серебряные и золотые металлические нити символизируют алюминий и медь чипа. Художница объяснила, что для «вплетения металлических нитей понадобилось намного больше времени», но это стоило усилий, потому что «когда в темноте на металл падает луч света, это выглядит великолепно». Чёрный и лавандовый цвета появились благодаря анилиновым красителям. Красивый пурпурный цвет даёт природный краситель кампешевого дерева, но со временем он выцветает, поэтому Шульц выбрала вместо него анилиновый краситель. Лавандовые оттенки посвящены матери ткачихи, покинувшей нас в феврале: пурпурный был её любимым цветом.
Внутри чипа
Как чип 555 генерирует конкретные временные задержки? Для выбора времени необходимо добавить внешние компоненты — резисторы и конденсатор. Конденсатор заряжается со скоростью, контролируемой резистором. Когда конденсатор заряжен полностью, чип 555 переключает режим работы и начинает разряжать конденсатор. Это похоже на заполнение раковины водой: если у нас есть большая раковина (конденсатор) и тонкая струйка воды (большой резистор), то раковина заполняется медленно. Но если раковина (конденсатор) маленькая, а воды много (маленький резистор), то раковина заполняется быстро. Благодаря использованию разных резисторов и конденсаторов таймер 555 может генерировать временные интервалы от микросекунд до часов.
Ниже я показал, какие части ковра соответствуют электронным компонентам физического чипа.
Скрытый текст
Контактная площадка. Когда напряжение на ножке Trigger падает до 1/3 Vcc, включается триггер
1. Контактная площадка. Когда напряжение на контакте Trigger падает до 1/3 Vcc, триггер устанавливается.
2. Контактная площадка. Контакт Ground. Этой площадки на ковре нет.
3. Резистор R6 — это нагрузка для выхода триггерного компаратора. Этого резистора на ковре нет.
4. Транзисторы Q10 и Q11 образуют схему Дарлингтона, составляющую половину дифференциальной пары триггерного компаратора.
5 и 6. Транзисторы Q12 и Q13 образуют схему Дарлингтона, составляющую половину дифференциальной пары триггерного компаратора.
7. Транзистор Q24 — это высокотоковый транзистор, предназначенный для перевода выхода на низкий уровень.
8. Транзистор Q15 сбрасывает триггер на основании сигнала выхода триггерного компаратора.
9.Транзистор Q9 вместе с Q19 образует токовое зеркало, обеспечивающее ток для триггерного компаратора.
10 и 11. Резисторы R1, R2 и R3 — это эмиттерные резисторы в токовых зеркалах. Поскольку сопротивление R2 значительно меньше, выходные токи усиливаются. Этих резисторов на ковре нет.
12 и 19. Транзисторы Q16 и Q17 соединены, образуя триггер.
13. Контактная площадка. Vcc — это контакт питания.
14 и 30. Резисторы R7, R8 и R9 образуют делитель напряжения, задающий опорные напряжения для компараторов. Этих резисторов на ковре нет.
15 и 23. Транзисторы Q7 и Q8 образуют несколько нестандартное токовое зеркало. При его активации оно запирает Q6, заставляя компаратор выключаться более резко.
16 и 24. Транзисторы Q5 и Q6 образуют токовое зеркало, усиливающее выход компаратора.
17 и 25. Резисторы R14 и R16 делят выходной сигнал с транзистора Q20.
18. Резистор R15 смещает выходной транзистор Q24 на низкий уровень, чтобы держать его в закрытом состоянии. Этого резистора на ковре нет.
20. В этой области находятся только соединения.
21. Транзистор Q19 образует токовое зеркало. Оно состоит из двух транзисторов с объединёнными эмиттерами и базами..
22. Резистор R11 выполняет функцию обратной связи для триггера. Этого резистора на ковре нет.
26. Транзистор Q23 подключён в диодном включении для управления транзистором Q21.
27. Транзистор Q20 служит буфером для выхода триггера и управляет выходными транзисторами.
28. Резистор R10 задаёт ток через токовое зеркало Q19. Этого резистора на ковре нет.
29. В этой области находятся только соединения.
31. Резистор R5 управляет током через пороговый компаратор.
32 и 38. Транзисторы Q3 и Q4 образуют схему Дарлингтона, составляющую половину дифференциальной пары порогового компаратора.
33 и 39. Транзисторы Q1 и Q2 образуют схему Дарлингтона, составляющую половину дифференциальной пары порогового компаратора.
34. Метки совмещения используются в процессе производства для обеспечения выравнивания слоёв кристалла.
35. Контактная площадка. Контакт Output предоставляет выходной сигнал таймера 555.
36. Резистор R13 задаёт смещение для выходного транзистора Q22. Этого резистора на ковре нет.
37. Транзистор Q18 подключен в диодном включении для повышения уровня сигнала сброса.
40. Контактная площадка. Времязадающий конденсатор может быть разряжен через контакт Discharge.
41. Транзистор Q21 управляет выходным транзистором Q22.
42. Резистор R12 смещает выходной транзистор Q21 на высокий уровень. Этого резистора на ковре нет.
43. Транзистор Q22 — это высокотоковый транзистор, предназначенный для подтягивания выхода на высокий уровень.
44. Транзистор Q25 буферизует сигнал с контакта Reset и сбрасывает триггер.
45. Транзистор Q14 — это высокотоковый транзистор, управляющий контактом Discharge.
46. Контактная площадка. Контакт Reset используется для сброса триггера. На ковре у этой площадки нет соединений.
47. Контактная площадка. Контакт Control Voltage позволяет изменять напряжения компараторов.
48. Контактная площадка. Когда напряжение на входном контакте Threshold достигает 2/3 Vcc, триггер сбрасывается, а временной конденсатор разряжается.
Например, два крупных квадратных транзистора включают и отключают вывод чипа, а третий крупный транзистор разряжает конденсатор, когда он полностью заряжен. (Точнее, заряд конденсатора меняется в интервале от 1/3 до 2/3 полного заряда, чтобы избежать проблем, возникающих с приближением состояния полностью «пустого» или «полного» заряда.) В чипе есть цепи, называемые компараторами, они определяют, когда напряжение конденсатора достигает 1/3 или 2/3, переключаясь в этих точках между разрядкой и зарядкой. Если вам интересны технические подробности о чипе 555, то прочитайте мои предыдущие статьи: о первых версиях чипа 555, a о таймере 555, похожем на использованный для ковра, и о более современной КМОП-версии чипа 555.
Заключение
Сходства между ткацким искусством индейцев навахо и паттернами интегральных схем замечены уже давно. Ковры интегральных схем Мэрилу Шульц превратили эти визуальные метафоры в конкретные предметы искусства. Однако эта связь не только метафорична; в 1960-х годах компаниях Fairchild, занимавшаяся производством полупроводников, нанимала множество работников из племени навахо на свои линии сборки чипов в Шипроке, штат Нью-Мексико. Я писал об этой сложной истории в статье The Pentium as a Navajo Weaving.
Эта работа была показана на выставке SITE Santa Fe Once Within a Time. Подробнее об искусстве Мэрилу Шульц можно узнать из статьи The Diné Weaver Who Turns Microchips Into Art или из интервью с ней на YouTube.
Выражаю огромную благодарность Мэрилу Шульц за обсуждение со мной её работы. Благодарю журнал First American Art Magazine за предоставление фотографии её ковра 555.
«Популярный чип», Мэрилу Шульц
Чип 555 состоит из крошечного куска кремния со слоем металлических проводников поверх него. На ковре эти проводники представлены толстыми белыми линиями, а кремний образует чёрный фон. По периметру ковра расположены красновато-оранжевые ромбы, соответствующие соединениям между чипом и восемью контактами. Создают эти соединения крошечные золотые проводники, прикреплённые к квадратным площадкам чипа. Схема чипа 555 содержит 25 транзисторов (кремниевых устройств, способных включаться и отключаться). В рисунке ковра выделяются три крупных транзистора (закрашенные квадраты с паттерном 王 внутри), а остальные транзисторы представлены небольшими точками.
Источником вдохновения для создания ковра стала фотография кристалла таймера 555, созданная Антуаном Берковичи (Siliconinsider); я предложил Мэрилу Шульц это фото в качестве возможной темы для ковра. На схеме ниже показано сравнение ковра (слева) с фотографией кристалла (справа). Как можно увидеть, плетение очень близко к реальному чипу, но присутствуют незначительные художественные различия. Например, были удалены две контактные площадки и серийный номер, упрощены цепи в верхней части.
Антуан сделал снимок при помощи темнопольного микроскопа — особого типа микроскопа, создающего изображения на чёрном фоне. На этом снимке выделяется металлический слой поверх кристалла. Для сравнения ниже показано изображение, созданное стандартным светлопольным микроскопом. При производстве чипа области кремния легируются примесями для создания транзисторов и резисторов. Эти области видны на изображении ниже, как небольшие изменения цвета кремния.
В плетении ковра конструкция чипа выглядит почти монументальной, из-за чего можно и забыть, что сам чип имеет микроскопические размеры. Я приобрёл версию чипа в круглом металлическом корпусе вместо традиционного прямоугольника из чёрного пластика. Срезав верхушку металлического корпуса, можно увидеть внутри крошечный чип с восемью золотыми проводниками, соединяющими кристалл с ножками корпуса. Если приглядеться, можно заметить три крупных транзистора.
Художница Мэрилу Шульц занимается плетением ковров-чипов с 1994 года, когда компания Intel поручила ей изготовить ковёр по мотивам процессора Pentium в качестве подарка научно-инженерному обществу коренных американцев AISES (American Indian Science & Engineering Society). Хотя Шульц изучала ткацкое дело с детства, ковёр Pentium стал для неё сложной задачей из-за сложного паттерна и отсутствия симметричности; за день работы размер ковра мог увеличиться всего на дюйм. Этот потрясающий ковёр был изготовлен из шерсти длиннорогих овец навахо-чурро и окрашен традиционными растительными красителями.
«Реплика чипа», Мэрилу Шульц, 1994 год
Готовясь к изготовлению ковра чипа 555, Шульц экспериментировала с различными материалами. Серебряные и золотые металлические нити символизируют алюминий и медь чипа. Художница объяснила, что для «вплетения металлических нитей понадобилось намного больше времени», но это стоило усилий, потому что «когда в темноте на металл падает луч света, это выглядит великолепно». Чёрный и лавандовый цвета появились благодаря анилиновым красителям. Красивый пурпурный цвет даёт природный краситель кампешевого дерева, но со временем он выцветает, поэтому Шульц выбрала вместо него анилиновый краситель. Лавандовые оттенки посвящены матери ткачихи, покинувшей нас в феврале: пурпурный был её любимым цветом.
Внутри чипа
Как чип 555 генерирует конкретные временные задержки? Для выбора времени необходимо добавить внешние компоненты — резисторы и конденсатор. Конденсатор заряжается со скоростью, контролируемой резистором. Когда конденсатор заряжен полностью, чип 555 переключает режим работы и начинает разряжать конденсатор. Это похоже на заполнение раковины водой: если у нас есть большая раковина (конденсатор) и тонкая струйка воды (большой резистор), то раковина заполняется медленно. Но если раковина (конденсатор) маленькая, а воды много (маленький резистор), то раковина заполняется быстро. Благодаря использованию разных резисторов и конденсаторов таймер 555 может генерировать временные интервалы от микросекунд до часов.
Ниже я показал, какие части ковра соответствуют электронным компонентам физического чипа.
Скрытый текст
Контактная площадка. Когда напряжение на ножке Trigger падает до 1/3 Vcc, включается триггер
1. Контактная площадка. Когда напряжение на контакте Trigger падает до 1/3 Vcc, триггер устанавливается.
2. Контактная площадка. Контакт Ground. Этой площадки на ковре нет.
3. Резистор R6 — это нагрузка для выхода триггерного компаратора. Этого резистора на ковре нет.
4. Транзисторы Q10 и Q11 образуют схему Дарлингтона, составляющую половину дифференциальной пары триггерного компаратора.
5 и 6. Транзисторы Q12 и Q13 образуют схему Дарлингтона, составляющую половину дифференциальной пары триггерного компаратора.
7. Транзистор Q24 — это высокотоковый транзистор, предназначенный для перевода выхода на низкий уровень.
8. Транзистор Q15 сбрасывает триггер на основании сигнала выхода триггерного компаратора.
9.Транзистор Q9 вместе с Q19 образует токовое зеркало, обеспечивающее ток для триггерного компаратора.
10 и 11. Резисторы R1, R2 и R3 — это эмиттерные резисторы в токовых зеркалах. Поскольку сопротивление R2 значительно меньше, выходные токи усиливаются. Этих резисторов на ковре нет.
12 и 19. Транзисторы Q16 и Q17 соединены, образуя триггер.
13. Контактная площадка. Vcc — это контакт питания.
14 и 30. Резисторы R7, R8 и R9 образуют делитель напряжения, задающий опорные напряжения для компараторов. Этих резисторов на ковре нет.
15 и 23. Транзисторы Q7 и Q8 образуют несколько нестандартное токовое зеркало. При его активации оно запирает Q6, заставляя компаратор выключаться более резко.
16 и 24. Транзисторы Q5 и Q6 образуют токовое зеркало, усиливающее выход компаратора.
17 и 25. Резисторы R14 и R16 делят выходной сигнал с транзистора Q20.
18. Резистор R15 смещает выходной транзистор Q24 на низкий уровень, чтобы держать его в закрытом состоянии. Этого резистора на ковре нет.
20. В этой области находятся только соединения.
21. Транзистор Q19 образует токовое зеркало. Оно состоит из двух транзисторов с объединёнными эмиттерами и базами..
22. Резистор R11 выполняет функцию обратной связи для триггера. Этого резистора на ковре нет.
26. Транзистор Q23 подключён в диодном включении для управления транзистором Q21.
27. Транзистор Q20 служит буфером для выхода триггера и управляет выходными транзисторами.
28. Резистор R10 задаёт ток через токовое зеркало Q19. Этого резистора на ковре нет.
29. В этой области находятся только соединения.
31. Резистор R5 управляет током через пороговый компаратор.
32 и 38. Транзисторы Q3 и Q4 образуют схему Дарлингтона, составляющую половину дифференциальной пары порогового компаратора.
33 и 39. Транзисторы Q1 и Q2 образуют схему Дарлингтона, составляющую половину дифференциальной пары порогового компаратора.
34. Метки совмещения используются в процессе производства для обеспечения выравнивания слоёв кристалла.
35. Контактная площадка. Контакт Output предоставляет выходной сигнал таймера 555.
36. Резистор R13 задаёт смещение для выходного транзистора Q22. Этого резистора на ковре нет.
37. Транзистор Q18 подключен в диодном включении для повышения уровня сигнала сброса.
40. Контактная площадка. Времязадающий конденсатор может быть разряжен через контакт Discharge.
41. Транзистор Q21 управляет выходным транзистором Q22.
42. Резистор R12 смещает выходной транзистор Q21 на высокий уровень. Этого резистора на ковре нет.
43. Транзистор Q22 — это высокотоковый транзистор, предназначенный для подтягивания выхода на высокий уровень.
44. Транзистор Q25 буферизует сигнал с контакта Reset и сбрасывает триггер.
45. Транзистор Q14 — это высокотоковый транзистор, управляющий контактом Discharge.
46. Контактная площадка. Контакт Reset используется для сброса триггера. На ковре у этой площадки нет соединений.
47. Контактная площадка. Контакт Control Voltage позволяет изменять напряжения компараторов.
48. Контактная площадка. Когда напряжение на входном контакте Threshold достигает 2/3 Vcc, триггер сбрасывается, а временной конденсатор разряжается.
Например, два крупных квадратных транзистора включают и отключают вывод чипа, а третий крупный транзистор разряжает конденсатор, когда он полностью заряжен. (Точнее, заряд конденсатора меняется в интервале от 1/3 до 2/3 полного заряда, чтобы избежать проблем, возникающих с приближением состояния полностью «пустого» или «полного» заряда.) В чипе есть цепи, называемые компараторами, они определяют, когда напряжение конденсатора достигает 1/3 или 2/3, переключаясь в этих точках между разрядкой и зарядкой. Если вам интересны технические подробности о чипе 555, то прочитайте мои предыдущие статьи: о первых версиях чипа 555, a о таймере 555, похожем на использованный для ковра, и о более современной КМОП-версии чипа 555.
Заключение
Сходства между ткацким искусством индейцев навахо и паттернами интегральных схем замечены уже давно. Ковры интегральных схем Мэрилу Шульц превратили эти визуальные метафоры в конкретные предметы искусства. Однако эта связь не только метафорична; в 1960-х годах компаниях Fairchild, занимавшаяся производством полупроводников, нанимала множество работников из племени навахо на свои линии сборки чипов в Шипроке, штат Нью-Мексико. Я писал об этой сложной истории в статье The Pentium as a Navajo Weaving.
Эта работа была показана на выставке SITE Santa Fe Once Within a Time. Подробнее об искусстве Мэрилу Шульц можно узнать из статьи The Diné Weaver Who Turns Microchips Into Art или из интервью с ней на YouTube.
Выражаю огромную благодарность Мэрилу Шульц за обсуждение со мной её работы. Благодарю журнал First American Art Magazine за предоставление фотографии её ковра 555.
