एक परिपथ एक बंद लूप या पथ है जो विद्युत ऊर्जा के स्रोत से, विभिन्न घटकों के माध्यम से, और वापस स्रोत तक विद्युत धारा को प्रवाहित करने की अनुमति देता है। अपने सरलतम रूप में, एक परिपथ में एक शक्ति स्रोत (जैसे बैटरी), प्रवाहकीय तार, और एक भार (जैसे प्रकाश बल्ब) होता है जो विद्युत ऊर्जा का उपभोग करता है। परिपथ का व्यवहार मौलिक नियमों द्वारा नियंत्रित होता है, जिसमें ओम का नियम शामिल है, जो वोल्टेज, धारा और प्रतिरोध से संबंधित है, और किरचॉफ के नियम, जो विद्युत नेटवर्क में आवेश और ऊर्जा के संरक्षण का वर्णन करते हैं। परिपथों को एनालॉग के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है, जहां संकेत निरंतर रूप से बदलते हैं, या डिजिटल, जहां संकेतों को असतत वोल्टेज स्तरों (आमतौर पर 0 और 1) द्वारा दर्शाया जाता है। परिपथों के आविष्कार और परिष्कार ने लगभग हर आधुनिक तकनीकी प्रगति को सक्षम किया है, प्रकाश और शक्ति वितरण से लेकर विशेष हार्डवेयर पर चलने वाली कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रणालियों तक।
परिपथ विभिन्न रूपों में भौतिक रूप से साकार होते हैं, बोर्ड पर सोल्डर किए गए असतत घटकों से लेकर एकीकृत परिपथों (ICs) तक जहां लाखों या अरबों घटक एक एकल अर्धचालक चिप पर निर्मित होते हैं। 1950 के दशक के अंत में एकीकृत परिपथ का विकास, जिसका बीड़ा जैक किल्बी ने टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स (प्रदान की गई सूची में नहीं) और रॉबर्ट नॉयस ने फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर (प्रदान की गई सूची में नहीं) में उठाया, ने आकार, लागत और बिजली की खपत को काफी कम करके इलेक्ट्रॉनिक्स में क्रांति ला दी। आज, उन्नत चिप्स टीएसएमसी, इंटेल, और सैमसंग इलेक्ट्रॉनिक्स जैसी कंपनियों द्वारा निर्मित होते हैं, जो ट्रांजिस्टर सुविधाओं को कुछ नैनोमीटर तक सिकोड़ने वाली प्रक्रियाओं का उपयोग करते हैं। ये चिप्स कंप्यूटर, स्मार्टफोन और डेटा केंद्रों का मूल बनाते हैं, जिनमें अमेज़न वेब सर्विसेज, एज़्योर, और गूगल क्लाउड द्वारा संचालित शामिल हैं।
परिपथ घटक और उनके कार्य
एक विशिष्ट परिपथ में कई बुनियादी घटक शामिल होते हैं। प्रतिरोधक धारा प्रवाह को सीमित करते हैं और वोल्टेज स्तर निर्धारित करते हैं; संधारित्र विद्युत ऊर्जा को अस्थायी रूप से संग्रहीत करते हैं और संकेतों को फ़िल्टर करते हैं; प्रेरक धारा में परिवर्तन का प्रतिरोध करते हैं और बिजली आपूर्ति और रेडियो आवृत्ति परिपथों में उपयोग किए जाते हैं। डायोड केवल एक दिशा में धारा प्रवाह की अनुमति देते हैं, और ट्रांजिस्टर स्विच या एम्पलीफायर के रूप में कार्य करते हैं, जो डिजिटल लॉजिक के निर्माण खंड बनाते हैं। डिजिटल परिपथों में, लॉजिक गेट (जैसे AND, OR, और NOT) ट्रांजिस्टर से निर्मित होते हैं और बूलियन संचालन करते हैं। इन गेटों को अंकगणितीय इकाइयों, मेमोरी सेल और प्रोसेसर बनाने के लिए संयोजित किया जाता है। आधुनिक मशीन लर्निंग प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले तंत्रिका नेटवर्क त्वरक, जैसे एडब्ल्यूएस ट्रेनियम या ग्रॉक के टेंसर स्ट्रीमिंग प्रोसेसर, मैट्रिक्स संचालन को कुशलतापूर्वक करने के लिए गुणा-संचय परिपथों की विशाल सरणियों पर निर्भर करते हैं।
परिपथ डिजाइन और सिमुलेशन
परिपथ डिजाइन करने में योजनाबद्ध निर्दिष्ट करना शामिल है, जो घटकों और उनके कनेक्शनों का एक प्रतीकात्मक प्रतिनिधित्व है। इंजीनियर भौतिक निर्माण से पहले परिपथ व्यवहार का अनुकरण करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन स्वचालन (EDA) उपकरणों का उपयोग करते हैं, जिससे शुद्धता और प्रदर्शन सुनिश्चित होता है। सिमुलेशन सॉफ्टवेयर घटकों की विद्युत विशेषताओं को मॉडल करता है, जिसमें तारों में प्रतिरोध और धारिता जैसे परजीवी प्रभाव शामिल हैं। जटिल डिजिटल परिपथों के लिए, वेरिलॉग और वीएचडीएल जैसी हार्डवेयर विवरण भाषाएं (HDLs) रजिस्टर-स्थानांतरण स्तर पर लॉजिक का वर्णन करने के लिए उपयोग की जाती हैं। डिजाइन प्रवाह में संश्लेषण शामिल है, जहां एचडीएल कोड को गेट-स्तरीय नेटलिस्ट में परिवर्तित किया जाता है, और स्थान-और-रूटिंग, जहां गेटों को चिप पर रखा और तारित किया जाता है। ब्रॉडकॉम और क्वालकॉम जैसी कंपनियां नेटवर्किंग और मोबाइल उपकरणों के लिए एप्लिकेशन-विशिष्ट एकीकृत परिपथ (ASICs) डिजाइन करती हैं, जबकि एआरएम होल्डिंग्स अधिकांश स्मार्टफोन में उपयोग किए जाने वाले प्रोसेसर आर्किटेक्चर का लाइसेंस देती है।
शक्ति और संकेत अखंडता
वास्तविक दुनिया के परिपथ शक्ति वितरण और संकेत अखंडता से संबंधित चुनौतियों का सामना करते हैं। तारों के साथ वोल्टेज ड्रॉप, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप, और आसन्न ट्रेस के बीच क्रॉसस्टॉक संकेतों को दूषित कर सकते हैं, विशेष रूप से उच्च आवृत्तियों पर। शक्ति अखंडता सुनिश्चित करती है कि सभी घटकों को एक स्थिर आपूर्ति वोल्टेज प्राप्त हो, जिसके लिए अक्सर डिकूपलिंग संधारित्र और समर्पित शक्ति विमानों की आवश्यकता होती है। संकेत अखंडता तकनीकों में प्रतिबाधा मिलान, विभेदक संकेतन, और परिरक्षण शामिल हैं। उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग में, जैसे गूगल डीपमाइंड प्रशिक्षण क्लस्टर, परिपथों को विशाल धाराओं को संभालना और गर्मी को नष्ट करना होता है, जिसके लिए उन्नत शीतलन समाधानों की आवश्यकता होती है। ओपन-पैनल मानक, उदाहरण के लिए, डेटा केंद्रों में थर्मल प्रबंधन को संबोधित करता है। जैसे-जैसे घड़ी की गति बढ़ती है, परिपथों का भौतिक लेआउट महत्वपूर्ण हो जाता है, डिजाइनर ग्रेडिएंट-क्लिपिंग (मशीन लर्निंग से एक अवधारणा, परिपथ डिजाइन से नहीं) जैसी तकनीकों का उपयोग करते हैं - हालांकि परिपथों में, यह शब्द उपयोग नहीं किया जाता है; इसके बजाय, वे बिजली की खपत को कम करने के लिए अनावश्यक लॉजिक के मॉडल-प्रूनिंग-जैसे सरलीकरण का उपयोग करते हैं।
परिपथ निर्माण और परीक्षण
एकीकृत परिपथों का निर्माण टीएसएमसी जैसी फाउंड्री में अत्यधिक नियंत्रित क्लीनरूम में होता है, जो एप्पल, एएमडी, और एनवीडिया (प्रदान की गई सूची में नहीं) के लिए चिप्स का उत्पादन करती है। इस प्रक्रिया में फोटोलिथोग्राफी शामिल है, जहां प्रकाश पैटर्न फोटोसेंसिटिव सामग्री से लेपित सिलिकॉन वेफर्स पर परिपथ डिजाइन स्थानांतरित करते हैं। बाद के चरणों में नक़्क़ाशी, डोपिंग, और धातु परतों का जमाव शामिल है। निर्माण के बाद, प्रत्येक चिप दोषों का पता लगाने के लिए परीक्षण से गुजरती है, स्वचालित परीक्षण उपकरण का उपयोग करके जो इनपुट संकेत लागू करता है और आउटपुट की जांच करता है। पैकेजिंग चिप को बाहरी पिनों से जोड़ती है, जिससे बड़ी प्रणालियों में एकीकरण सक्षम होता है। सैमसंग रिसर्च और भाभा परमाणु अनुसंधान ने उन्नत पैकेजिंग और सामग्री अनुसंधान में योगदान दिया है। उपज, या प्रति वेफर कार्यात्मक चिप्स का प्रतिशत, एक प्रमुख आर्थिक कारक है, जो दोष सहनशीलता और अतिरेक में नवाचारों को प्रेरित करता है।
उभरती प्रौद्योगिकियों में परिपथ
पारंपरिक सिलिकॉन से परे, परिपथ नई सामग्रियों और आर्किटेक्चर का उपयोग करके विकसित किए जा रहे हैं। डी-वेव क्वांटम एनीलिंग प्रोसेसर बनाता है जो क्यूबिट्स का प्रतिनिधित्व करने के लिए अतिचालक परिपथों का उपयोग करते हैं, जो पूर्ण शून्य के करीब तापमान पर संचालित होते हैं। एनईसी और फुजित्सु ने उच्च-गति कंप्यूटिंग के लिए अतिचालक डिजिटल परिपथों का पता लगाया है। ग्राफकोर और सांबा-नोवा जनरेटिव एआई कार्यभार के लिए विशेष परिपथ डिजाइन करते हैं, डेटाफ्लो और मेमोरी एक्सेस पैटर्न को अनुकूलित करते हैं। इंट्यूटिव सर्जिकल रोबोटिक सर्जिकल प्रणालियों में सटीक परिपथों का उपयोग करता है, और वेमो और टेस्ला ऑटोपायलट स्वायत्त ड्राइविंग के लिए सेंसर और प्रोसेसिंग परिपथों पर निर्भर करते हैं। ज़ेरॉक्स पीएआरसी की कंप्यूटिंग अनुसंधान विरासत ने प्रारंभिक परिपथ डिजाइन को प्रभावित किया, जबकि एमआईटी सीएसएआईएल और स्टैनफोर्ड एआई लैब गहन शिक्षण त्वरक के लिए नवीन परिपथ टोपोलॉजी का पता लगाना जारी रखते हैं। जैसे-जैसे बड़े भाषा मॉडल अनुमान व्यापक होता जाता है, परिपथ जो प्रति संचालन ऊर्जा को कम करते हैं, महत्वपूर्ण हैं, जिससे कम-शक्ति डिजाइन और हार्डवेयर परीक्षण के लिए डेटा-ऑगमेंटेशन-जैसी तकनीकों में नवाचार होते हैं।
निष्कर्ष
परिपथ डिजिटल युग की आधारभूत तकनीक हैं, जो साधारण घरेलू इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर सबसे उन्नत कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रणालियों तक सब कुछ सक्षम करते हैं। असतत घटकों से नैनोमीटर-पैमाने के एकीकृत परिपथों तक उनका विकास, मूर के नियम द्वारा वर्णित कंप्यूटिंग शक्ति में तेजी से वृद्धि को प्रेरित किया है। सामग्री, आर्किटेक्चर और निर्माण में चल रहे अनुसंधान इस प्रगति को विस्तारित करने का वादा करते हैं, बिजली की खपत, गर्मी अपव्यय और क्वांटम प्रभावों की चुनौतियों को संबोधित करते हुए। मशीन लर्निंग, क्लाउड-कंप्यूटिंग, और रोबोटिक्स में काम करने वाले इंजीनियरों और वैज्ञानिकों के लिए परिपथों को समझना आवश्यक है, क्योंकि भौतिक परत अंततः सीमित करती है कि कम्प्यूटेशनल रूप से क्या संभव है।