Посвящение в радиоэлектронику
Шрифт:
Слово «NEW» здесь означает, что работает новый (для машины) пользователь, а следующие три буквы его инициалы: Иван Иванович Иванов (III) или Семен Семенович Семенов (SSS). Вы можете выступать, разумеется, и под другим зашифрованным именем. Машине это безразлично, она будет знать вас таким, каким вы ей назоветесь. Теперь ЭВМ готова работать с вами, и она распечатывает на экране дисплея столбик номеров, которые вы должны заполнить командами и исходными данными.
Но я вовсе не собираюсь учить вас сейчас программированию. Наша задача в другом. Рассказав о сегодняшнем состоянии дел в области мини-, микро- и больших ЭВМ, пора подумать и о перспективах.
Лет десять-пятнадцать назад конструкторы, всеми силами боровшиеся за повышение быстродействия ЭВМ, увидели некий «физический предел», превзойти который, казалось бы, невозможно. Дело в том, что ЭВМ второго поколения, построенные на дискретных элементах (транзисторах, диодах) или интегральных микросхемах с малой степенью интеграции (транзисторные и диодные сборки, отдельные логические элементы), имели все еще внушительные размеры. А сигналы проходят по соединительным проводникам с определенной скоростью, в любом случае не большей, чем скорость света. Этот факт установили еще до создания теории относительности.
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 –
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.
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.