Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

• Название: Посвящение в радиоэлектронику
• Автор: Владимир Поляков
• Издательство: "Радио и связь"
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1988
• ISBN: 5-256-00077-2

Популярно рассказано об основных достижениях радиоэлектроники — от радиовещания и телевидения до сложных вычислительных комплексов и систем. На многочисленных примерах показана все возрастающая значимость радиоэлектроники в современном мире. Даны сведения о физических основах, принципах действия и устройстве радиоэлектронной аппаратуры и ее элементов.

Для широкого круга радиолюбителей.

---

Пусть машинный зал имеет длину 15 м, а сигналы распространяются (примем идеализированные условия) по прямым проводникам со скоростью света. Тогда, чтобы сигналу пересечь весь зал и вернуться обратно, понадобится около 0,1 мкс. Если принять это время за время выполнения одной операции, то скорость работы ЭВМ составит не более 10 млн. операций в секунду. На самом деле скорость будет намного ниже, поскольку необходимо еще время для переключения логических элементов, записи-считывания и т. п.

Сейчас проблема уже не стоит так остро, поскольку размеры ЭВМ все уменьшаются. Описанная в предыдущем разделе микроЭВМ с микропроцессором и периферийными модулями уже выполняется на одном кристалле размером не более нескольких сантиметров (вместе с выводами). Ее быстродействие определяется лишь инерционностью транзисторов. Так развитие элементной базы опровергло выводы, казавшиеся фундаментальными. Одновременно с микроминиатюризацией снижается и потребление энергии логическими элементами микросхем. И это имеет вполне разумное физическое объяснение. Переключающий транзистор срабатывает тем быстрее, чем быстрее происходит перезарядка емкости, нагружающей его коллекторный переход. Она состоит из емкости самого перехода, емкости соединительных проводников и емкости электродов других транзисторов, подключенных к данной точке. С уменьшением размеров как транзисторов, так и проводников емкость существенно уменьшается. При этом требуется меньший ток для ее перезарядки в течение того же самого времени.

Начиная с 1960 года за каждые пять лет минимальные размеры элементов интегральных схем уменьшались в два раза, и сейчас они достигли 4 мкм. Поговаривают о достижении оптического предела, возникающего при фотолитографическом процессе изготовления микросхем. Ведь оптическое изображение в принципе не может иметь детали мельче, чем длина используемой световой волны (около 0,5 мкм). Этому мешает явление дифракции, не позволяющее получать резко очерченные контуры. Внутренняя задержка сигналов в транзисторах микросхем, имеющих очень тонкую базу, приближается к одной наносекунде (1 нс = 10-9 с). Столь малые размеры элементов позволили создать очень сложные СБИС.

За 15 лет сложность микросхем неимоверно увеличилась. Скорость увеличения емкости ЗУ также очень высока. Если в 1978 году изготавливались кристаллы оперативной памяти емкостью 16К байт, то сейчас речь идет о памяти емкостью до 250К. Кстати, букву К надо объяснить. Это не приставка «кило», означающая увеличение в 1000 раз (вспомните килограмм, километр), но по значению очень близка к ней. Число 1000 в двоичной системе выражается плохо, а вот 1024 = 210 - очень удобное число. Поэтому 250К байт означает 250·1024 байт.

Теперь интенсивно развивается технология изготовления новых типов ЗУ, использующих другие принципы. Например, на ПЗС-приборах с зарядовой связью. Основа ПЗС линейка полевых МОП-транзисторов с изолированными затворами. Окисел служит хорошим изолятором, поэтому на затворе каждого транзистора заряд может храниться очень долго (часами). В зависимости от знака или величины заряда данный транзистор может быть либо открыт, либо закрыт (состояние 0 или 1). Транзисторы в линейке расположены так тесно и хитро, что, когда на общую шину линейки подается тактовый импульс, заряд с затвора одного транзистора передается на затвор следующего, и т. д. Получается готовый регистр сдвига, в который можно записать и поразрядно считать двоичное «слово» любой длины.

Вместо магнитной памяти на ферритовых кольцах с 1977 года начали использовать ЗУ на цилиндрических магнитных доменах. В этих устройствах каждая ячейка памяти имеет микроскопические размеры, и плотность записи получается очень высокой. Емкость одного кристалла памяти может достигать 100К бит. Еще большие, поистине фантастические возможности в области устройств памяти открывает использование оптических средств.

Революция без бумаги

Слова, стоящие в заголовке раздела, сказал в 1978 году А. Е. Коукелл, директор Института научной информации в г. Филадельфия (США). Что же за революцию он имел в виду? Вполне мирную революцию в области информационных систем. Традиционно в них используется бумага как основной носитель информации. Но времена меняются, и при современном развитии электроники можно говорить уже и о чисто электронных информационных системах. Что это такое? Человеку, а теперь уже и создаваемым им техническим устройствам, например роботизированным комплексам, для ориентации в среде необходима информация. Причем точность принятых решений зависит в первую очередь от полноты и необходимой информации и скорости ее получения. Пока водитель автомобиля имеет полную информацию об обстановке на дороге, авария маловероятна. Опасность его подстерегает, если он чего-то не заметил, т. е. не получил необходимой информации.

Говорят, что сейчас любая техническая новинка разрабатывается в различных местах не менее четырех-пяти раз. Где-то не знают, что нужная разработка уже сделана, и делают все еще раз. Это называется «изобрести деревянный велосипед», и легко представить, в какую копеечку такое изобретение обходится народному хозяйству. А происходит все из-за недостатка информации или недостаточно быстрого обмена ею. В нашей лаборатории сидит человек и листает пухлые тома справочников, разыскивая данные нужного ему транзистора. Знакомая картина? А не лучше ли было получить данные о любом электронном компоненте на экране дисплея?

Название новой фундаментальной науки информатики появлялось, по крайней мере, дважды. Сначала им обозначили научную дисциплину, связанную с научно-технической информацией, а через нее — с системами накопления и поиска информации в виде печатных источников и документов. Затем термином «информатика» обозначили науку об ЭВМ и их применении. Теперь под информатикой понимают науку, изучающую общие процессы передачи и обработки информации. Технической основой информатики являются современная вычислительная техника и процессы обработки информации с помощью ЭВМ. Информатика сейчас проникает и в чисто описательные науки, такие как биология, медицина, социология. Сейчас ее ведущая роль в народном хозяйстве уже ни у кого не вызывает сомнения. Свойства научно-технического прогресса таковы, что объем научной информации в мире удваивается каждые пять лет.

Только вдумайтесь в эту цифру — удваивается! Мы, как слепые котята, барахтаемся в огромном океане информации. Здесь, как нигде более, нужна помощь технических средств. Никому ведь не приходит в голову переплывать океаны на утлой весельной лодке. Правда, иногда мелькают в печати сообщения о смельчаках, переплывших океан на чем-то очень примитивном, вспомните Алена Бомбара. А в океане информации мы все уподобляемся им, пользуясь примитивными средствами — тетрадкой и авторучкой. И тратим месяцы на переход, тогда как люди летают через океан на самолетах!

Следует ожидать, что электронные системы информации будут внедряться в первую очередь на промышленных объектах, НИИ, крупных библиотеках и других хранилищах информации. Но то, что нас окружает в быту: книги, речь, рисунки — тоже источники информации, ибо все они так или иначе воспринимаются нами. Со временем информационный терминал будет на каждом рабочем месте и в каждой квартире. Такое универсальное информационно-связное оборудование можно было бы сделать уже сейчас, но пока это и сложно, и дорого.

Уже сейчас за рубежом ряд издательств научной литературы испытывает трудности. Число индивидуальных подписчиков на журналы резко сокращается с ростом цен, а библиотекам урезается бюджет из-за уменьшения числа читателей. Эффективность использования периодических научно-технических изданий постоянно уменьшается, поскольку журналов — масса и специалисту просмотреть все публикации по его профилю просто некогда. Объем научно-технической информации в мире возрастает за год на 7 млрд. страниц. Только в США в 1975 году было опубликовало 327000 статей в 4175 научных и технических журналах, а во всем мире число статей перевалило за миллион. В то же время за 15 лет, предшествовавших 1975 году, цены на журналы в среднем возросли в четыре раза.

Повышение цен на печатные издания отчасти объясняется тем, что в издательской деятельности все шире используется сложное электронное оборудование. Текст рукописей обрабатывается на ЭВМ и в окончательной форме записывается на перфоленту, гибкий диск или магнитную ленту. А с них, о пять-таки с помощью сложного оборудования, осуществляется печать на бумагу.

Электронная система подготовки журнальных статей в наиболее совершенной форме включает автора, рецензента, редактора, имеющих свои терминалы и объединенных сетью передачи данных с ЭВМ. Осталось только подключить к сети еще и читателя, чтобы создать полностью «электронный журнал». Отредактированные и готовые «к печати» (без бумаги) статьи будут храниться в памяти ЭВМ, и любой читатель сможет «вызвать» на экран своего дисплея нужную ему статью.